Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Rohmilch zur Herstellung behandelter Milch mit einem gegenüber der Rohmilch niedrigeren Bakteriengehalt, wie es auch Gegenstand der US-Patentanmeldung Serial Nr. 07/901 238 mit Anmeldetag 19.06.1992, ist.
Die Erfindung betrifft also ein Verfahren zur Herstellung von Milch, Vollmilch oder entrahmter Milch, das Verfahrensprodukt sowie ein Verfahren zum Vertrieb der Milch an Abnehmer.
Zum Abtöten von in der Milch befindlichen Bakterien wird seit Jahrzehnten das bekannte Pasteurisationsverfahren angewendet. Unglücklicherweise beeinflussen die für die Pasteurisation notwendigen hohen Temperaturen den Geschmack der Milch negativ. Darüber hinaus eliminiert das Pasteurisationsverfahren selbst bei diesen hohen Temperaturen nicht alle unerwünschten Bakterien und führt zu der kurzen Haltbarkeitsdauer der meisten Milchprodukte.
Bacillus cereus ist in herkömmlich sterilisierter Milch höheren Alters meist das vorherrschende Bakterium, da dieses das Pasteurisationsverfahren überlebt und bei niedrigen Temperaturen gedeiht, was das Verderben der Milch fördert. Allgemein besteht ein Bedarf an einem Verfahren, mit dem der Bakteriengehalt sowohl in Voll- als auch in entrahmter Milch verringert werden kann, um die Haltbarkeit des Produktes zu erhöhen und seinen Geschmack durch Vermeiden des Pasteurisationsverfahrens zu verbessern.
Es ist auch von grosser wirtschaftlicher Bedeutung, das sehr kosten- und arbeitsintensive Vertriebsverfahren zu beseitigen, das zur Zeit für die Beförderung der Milch zum Abnehmer benötigt wird. z.Zt. muss jede Molkerei nach der Sterilisation der Rohmilch durch Homogenisierung und andere Schritte, die Milch für den Vertrieb an die Abnehmer in Behälter füllen und diese Milch gekühlt transportieren. Das bedeutet für jede Molkerei, dass sie einen grossen Park an Kühlfahrzeugen erwerben und unterhalten muss, um die Milch an den Ort des Abnehmers zu befördern. Durch Bereitstellung eines sterilen oder nahezu sterilen Milchproduktes wäre es möglich, den Transport der Milch unter Kühlbedingungen zu vermeiden. Leider liefert das Pasteurisationsverfahren lediglich Milch mit einem reduzierten Bakteriengehalt, nicht jedoch ein steriles Produkt.
Darüber hinaus wäre es, falls ein steriles Milchprodukt hergestellt werden könnte, nicht mehr nötig, die Milch am Vertriebsort gekühlt zu lagern. Die Vermeidung grosser Kühlabteile, wie sie z.B. in den typischen Lebensmittelgeschäften zu finden sind, wäre ebenfalls von grossem wirtschaftlichem Vorteil.
Selbst beim heutigen Pasteurisationsverfahren ist es in einigen Fällen sehr wichtig, den Bakteriengehalt der Milch schon vor der Pasteurisation zu senken, insbesondere dann, wenn eine bestimmte Menge Rohmilch so kontaminiert ist, dass blosse Pasteurisation nicht zu einer, nach heutigem Standard, angemessenen Haltbarkeitsdauer führen würde.
Für einige Anwendungen ist es ausserdem wertvoll, behandelte Milch liefern zu können, in der der Bakteriengehalt weitestgehend reduziert ist, z.B. auf ein Hundertstel des Ausgangswertes. Besonders wichtig ist es für die Herstellung von Käse, Milch mit einem verhältnismässig geringen Bakteriengehalt zu liefern, da falsche Bakterienkulturen den Käse zerstören können. Einfache Hitzebehandlung der Milch bis zu einem ausreichenden Grad ist normalerweise für die Käsepro duktion nicht geeignet, weil eine derartige Hitzebehandlung zu einer niedrigeren Ausbeute an Käse führt und die Koagulationszeit negativ beeinflussen kann.
Konventionell werden zur Verringerung dieses Problems, Zusatzstoffe eingesetzt. Manchmal ist es aber erwünscht, den Einsatz dieser Zusatzstoffe zu vermeiden.
Es sind verschiedene Verfahren bekannt, mit denen Milch mit verringerter Bakterienzahl unter Einsatz von Filtrationen hergestellt wird, aber keines davon fand breite Akzeptanz. Die Verfahren nach dem Stand der Technik haben im allgemeinen entweder geringe Durchflussraten, wodurch die Durchführung des Verfahrens im grossen Umfang unwirtschaftlich wird, oder schädigen die Qualität der Milch, so dass das Produkt für den Abnehmer nicht akzeptabel ist.
Es wurde mit konventionellen Filtern versucht, Milch mit verringertem Bakteriengehalt herzustellen. Die schwedische Patentanmeldung No. 380 422 offenbart ein Verfahren, in dem Vollmilch durch Mikrofiltration in Filtrat- und Konzentrat-Fraktionen aufgeteilt wird. Das Filtrat, das die Poren des Filters (die Porengrösse des Filters kann zwischen 0,1 micron - 10 micron sein) passiert, besteht aus Milch mit einem wesentlich verringertem Fettgehalt. Das Konzentrat, d.h. die Fraktion, die durch die Oberfläche des Filters zurückgehalten wurde, besteht aus Sahne, da nicht nur Bakterien, sondern auch Fettkügelchen in hohem Masse vom Filter zurückgehalten werden.
Die Schwedische Offenlegungsschrift No. SE-A 6 715 081 offenbart ein Verfahren zur Sterilisierung von Milch, bei dem zuerst das Fett von der entrahmten Milch getrennt wird. Danach wird die Fettfraktion hitzesterilisiert. Die entrahmte Milchfraktion wird sterilisiert, indem die Bakterien durch Filtration entfernt werden (die Porengrösse des Filters ist nicht angegeben). Zuletzt werden die Fett- und die entrahmten Milchfraktionen wieder gemischt, um ein steriles Milchprodukt zu erhalten. Um so durch Filtration der Bakterien, die entrahmten Milchfraktionen zu sterilisieren, muss die Porengrösse des Filters so klein sein, dass der Filter keine Bakterien durchlässt. Dies wiederum resultiert in geringen Durchlassraten und der unerwünschten Retention von Fettkügelchen und Proteinen aus der Milch.
U.S. Patent No. 5 064 674 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung hypoallergener Milch durch Ultrafiltration unter Verwendung von Membranen, die für Moleküle mit einem Molekulargewicht von 5 kDa und weniger durchlässig sind. Die durch die Membran ausgeschlossenen Komponenten beinhalten Milchproteine, lebensfähige oder nichtlebensfähige Bakterien, bakterielle Proteinantigene und Milchfett. Das beim Ultrafiltrationsverfahren gesammelte Filtrat ist daher nicht nur frei von Bakterien und bakteriellen Proteinantigenen, sondern auch von Fett und Milchproteinen, wodurch das Produkt als Milch per se unbrauchbar wird.
Offensichtlich entfernen die nach dem Stand der Technik verwendeten Bakterienfilter zur Sterilisierung von Milch nicht nur Bakterien, sondern auch Fettkügelchen und zumindest einige Proteine. Ein derartiges Filter wird schnell durch das zurückgehaltene Material zugesetzt, so dass die Durchflussrate rasch abnimmt und der Filter häufig gesäubert oder ersetzt werden muss. Die hohen Kosten eines solch ineffizienten Verfahrens sind im allgemeinen untragbar. Darüber hinaus ist die Qualität der Milch, da der Filter auch Fettkügelchen und Proteine zurückhält, beeinträchtigt.
Aus der bisherigen Diskussion ist offensichtlich, dass immer noch ein Bedarf an einem verbesserten Milchfiltrationsver fahren besteht, welches ein steriles oder eher nahezu steriles Produkt mit verbesserter Haltbarkeit und unverminderter Qualität liefert.
Bisher sind einige Versuche zur Behandlung von Milch unternommen worden, bei denen Quer- oder Tangentialstrom-Filtrationsvorrichtungen zur Anwendung kamen. Solche Vorrichtungen sind bekannt.
Es sind verschiedene Arten von Filtrationsgeräten beschrieben worden, die eine solche Tangential- oder Querstromfiltration ermöglichen. Die vielleicht älteste bekannte Vorrichtung dieser Art ist beschrieben in der sowjetischen Patentanmeldung No. 142 626 von Zhevnovatyi, A.I. von 1961. Diese Vorrichtung wird von einem Rohr aus porösem Material gebildet, das in einem zweiten Rohr befestigt ist. Die zu filtrierende Suspension passiert unter Druck bei hoher Geschwindigkeit den ringförmigen Zwischenraum zwischen den beiden Rohren, wobei das Filtrat innerhalb des porösen Rohres fliesst. Verbesserte Geräte ähnlicher Bauart verwenden zwei konzentrische Zylinder, wobei der innere der beiden Zylinder durch eine mikroporöse Membran gebildet ist und die Flüssigkeit, die einer erzwungenen helikalen Strömung unterworfen ist, um diesen inneren Zylinder herum fliesst.
Andere Querstrom-Vorrichtungen beinhalten eine Serie von übereinanderliegenden Filterelementen in Form von Platten oder Scheiben, an deren beiden Frontflächen mikroporöse Membranen, z.B. um ein Filtrat-Sammel-Rohr, angeordnet sind, wobei die zu filtrierende Suspension in einer helikalen Bahn nacheinander zwischen den Scheiben passiert.
Es sind viele andere Variationen des Querstromfiltrations-Systems entwickelt worden. Zum Beispiel bezieht sich das U.S. Patent No. 5 009 781 auf eine Querstrom-Filtrations vorrichtung mit einem Filtrat-Netzwerk, das mehrere longitudinale Filtratkammern beinhaltet sowie einen oder mehrere Filtratkanäle, die diese Kammern schneiden.
Das U.S. Patent No. 5 035 799 bezieht sich auf eine Querstromfiltrationsvorrichtung mit parallel im Filterbehälter angeordneten Filterblättern. Die Eingabe geschieht unter Druck, um im Medium eine turbulente Querströmung herzustellen.
Das U.S. Patent No. 5 015 397 betrifft eine Querstromfiltrationsvorrichtung und -verfahren, das ein Rohr spiralförmig aufgewickelten Profildrahts beinhaltet. Das kontaminierte Gut wird an einem Ende des Rohrs aufgegeben. Während es durch das Rohr fliesst, werden die Verunreinigungen in ihm aufkonzentriert, während gereinigte Flüssigkeit die Wand des Rohrs durchdringt. Das U.S. Patent No. 5 047 154 betrifft ein Verfahren und ein Gerät, um die Flussrate von Querstromfiltrationssystemen zu erhöhen. Das U.S. Patent No. 4 569 759 betrifft eine Tangentialfiltrationsvorrichtung und eine Anlage, die eine derartige Vorrichtung enthält.
Querstromfiltration unterscheidet sich wesentlich von der Durchfluss-Filtration. Bei der Querstromfiltration erfolgt die Flüssigkeitszufuhr parallel zur Filteroberfläche, und die Filtration geschieht senkrecht zur Strömungsrichtung des Aufgabegutes. Im allgemeinen ist bei Querstromfiltrationsanlagen eine Akkumulation der herausgefilterten Stoffe an den Filtrationsvorrichtungen aufgrund der Scherkräfte der Strömung verringert, da die Strömung des Aufgabegutes tangential zur Membranoberfläche verläuft. Querstromfiltration eröffnet daher die Möglichkeit, wenn das verursachende Druckgefälle konstant gehalten wird, im sog. "Steady-State", also im Gleichgewicht, zu arbeiten. Leider konnte diese theoretische Möglichkeit in der Praxis nicht erreicht werden. Daher haben herkömmliche Querstromfiltrationssysteme immer unter dem Problem des abnehmenden Filtratflusses gelitten.
Der grösste Teil der in Schwebe befindlichen Feststoffe wurde an der Rohrwand zurückgehalten und bildete schnell eine dynamische Membran, die auch als Filterkuchen oder Schlammschicht bezeichnet wird. Diese dynamische Membran ist zu einem Grossteil für die nachfolgende Filtration verantwortlich.
Die Partikel, die zuerst in die Wandmatrix eindringen, werden letztendlich aufgrund der unregelmässigen und gewundenen Form der Porenstruktur darin zurückgehalten. Bei fortschreitender Mikrofiltration wird die Durchdringung weiterer kleiner Partikel durch die Wandmatrix durch die dynamische Membran verhindert. Die Bildung der dynamischen Membran zusammen mit dem möglichen Zusetzen der Porenstruktur des Rohres durch die zurückgehaltenen Partikel führt zur Abnahme des Filtratflusses. In herkömmlichen Systemen erfolgt diese Abnahme annähernd exponential zur Filtrationszeit.
Querstromfiltration von Milch wurde zwar versucht, aber wegen der soeben diskutierten Probleme nicht allgemein akzeptiert. Das U.S. Patent No. 5 028 436 betrifft ein Verfahren zur Trennung in gelöste und ungelöste Milchbestandteile unter Verwendung einer mikroporösen Membran mit einer Porengrösse im Bereich von 0,1 bis 2 micron, die mit einer wässrigen Lösung oder einer Dispersion oder Emulsion von Lipiden oder Peptiden und der an der vorbehandelten Membran abgetrennten Milch vorbehandelt wurde.
In dem im Patent offenbarten Verfahren wird ein erster Filtrationsschritt verwendet, bei dem eine mikroporöse Membran im Tangential-Strömungsverfahren genutzt wird. Es wird ein klares Filtrat und ein dickflüssiges Konzentrat erhalten. Das Filtrat enthält alle Salze, Laktose, Aminosäuren, Oligopeptide und Polypeptide von geringem Molekularge wicht in nativer, nichtdenaturierter Form. Das Konzentrat enthält praktisch das gesamte Kasein und die Fettkomponenten der Milch. Daher kann das Filtrat, wenn alle Fett-Substanzen daraus entfernt wurden, nicht als "Milch" betrachtet werden.
Das U.S. Patent No. 4 876 100 betrifft ein Querstromfiltrationsverfahren zur Herstellung von Milch mit einem verringerten Bakteriengehalt. Rohmilch wird durch Zentrifugation in eine aus Sahne und eine andere aus entrahmter Milch bestehende Fraktion getrennt. Die entrahmte Milchfraktion wird in einen Mikrofilter geleitet, in dem ein Teil der Fettkügelchen, der Proteine und der Bakterien getrennt werden. Vom Mikrofilter wird ein Filtrat und ein Konzentrat erhalten. Das Filtrat besteht aus entrahmter Milch mit einem erniedrigten Fett-, Protein- und Bakteriengehalt, wogegen das Konzentrat einen erhöhten Fett-, Protein- und Bakteriengehalt besitzt. Das Konzentrat wird anschliessend sterilisiert.
Neben der Reduktion des Bakteriengehaltes des Filtrats reduziert die Filtrationsmethode des '100 Patentes auch den Fett- und Proteingehalt des Filtrats, wodurch seine Eigenschaften gegenüber der ursprünglichen, entrahmten Milch geändert werden.
Offensichtlich hat die Verwendung der Querstromfiltration bisher kein annehmbares Verfahren geliefert, um die bakterielle Kontamination von Milch verringern.
Ein Weg, um die mit der klassischen QuerstromfiltrationsTechnologie verbundenen Probleme zu überwinden, bietet sich mit der dynamischen Mikrofiltration. Das dynamische Mikrofiltrationsverfahren überwindet den Nachteil der klassischen Querstromtechnologie, da die Flüssigkeit nicht einfach nur tangential über die Membranoberfläche geleitet wird. Die Membranoberfläche oder ein fester Körper in der Nähe der Membranoberfläche werden derart bewegt, dass die Flüssigkeit an der Grenzfläche zwischen dem Rotor und dem Stator Scherkräften ausgesetzt ist. Die Scherkräfte bewirken eine mechanische Reinigung der Membranoberfläche, wodurch sie verhältnismässig sauber von teilchenförmigem Material gehalten und die Bildung eines "Filterkuchens an der Membranoberfläche" verhindert wird.
Das teilchenförmige Material, das sich ansonsten an der Membranoberfläche ansammeln würde, bleibt in Suspension und wird schliesslich im Sekundärstrom, dem sog. Konzentrationsstrom, entfernt.
Dynamische Mikrofiltrationssysteme können verschiedene Formen haben. Z.B. betreffen die U.S. Patente Nos. 5 037 562; 3 997 447; 5 037 562; 3 997 447 und 4 956 102 dynamische Scheiben (Disk-) Mikrofiltrationssysteme.
Zylindrische dynamische Mikrofiltrationsvorrichtungen werden in den U.S. Patenten Nos. 4 956 102; 4 900 440; 4 427 552; 4 093 552; 4 066 554 und 3 797 662 sowie vielen anderen offenbart. Die Offenbarung aller Patente, die in dieser Anmeldung angeführt werden, wird hierdurch als Querverweis eingeschlossen. Bisher wurde keine dynamische Mikrofiltration für die Herstellung von Milch angewendet und der Einsatz der Querstromfiltration von Milch war begrenzt und wurde prinzipiell eingesetzt, um Milch auf der Grundlage des Fettgehalts in Komponenten zu fraktionieren.
Es ist nun überraschenderweise entdeckt worden, dass durch das erfindungsgemässe Verfahren die dynamische Mikrofiltration von Milch erfolgreich, ohne die bekannten Probleme der Zerstörung der Milchqualität, des vorzeitigen Zusetzens der Filter und der unzureichenden Entfernung der Bakterien, durchgeführt werden kann.
Erfindungsgemäss wird die Milch, entweder Voll- oder entrahmte Milch, erst homogenisiert und dann einer Filtration zugeführt. Bei der Durchführung der Homogenisation als erstem Schritt wird die Partikelgrösse der Fettkügelchen und anderer grosser, in Schwebe befindlicher Komponenten der Milch deutlich verringert, was die Mikrofiltration der Milch ermöglicht, ohne dass Fett und andere Komponenten signifikant entfernt oder mitgerissen werden.
Milch ist eine Emulsion von Fett und Proteinpartikeln in Wasser. Homogenisation bietet ein Verfahren, die Grösse der emulgierten Partikel zu reduzieren, um den Durchtritt durch eine entsprechend dimensionierte Mikroporenmembran zu ermöglichen und dadurch die hierin enthaltenen Bakterien zurückzuhalten, ohne unerwünschte Entfernung des Fett- und Proteingehalts der Milch.
Nach der Homogenisierung wird die Milch unter Verwendung der dynamischen Mikrofiltration filtriert. Die Erfindung liefert daher ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Milch mit einem erniedrigten Bakteriengehalt, ohne dass die Milch pasteurisiert werden muss. Der Teil der Milchfraktion, der durch den Mikrofilter zurückgehalten wird (die Konzentratfraktion), kann als Teil des Aufgabeguts rezirkuliert, aber auch entfernt oder in anderen Verfahren genutzt werden.
Diese Erfindung liefert also ein Verfahren zur Behandlung von Rohmilch, um behandelte Milch mit einem gegenüber Rohmilch verringerten Bakteriengehalt herzustellen. Das Verfahren beinhaltet, dass die Milch homogenisiert wird und, innerhalb von etwa 5 Minuten nach Homogenisation, einer dynamischen Mikrofiltration zugeführt wird, wobei die Milch durch einen Mikrofilter geleitet wird, dessen durchschnittliche Porengrösse ausreichend ist, um den Bakteriengehalt der durchfliessenden Milch zu verringern und um ein Filtrat mit einem gegenüber der anfänglichen Rohmilch niedrigeren Bakteriengehalt und zu einem Konzentrat mit einem gegenüber der Ausgangsrohmilch höheren Bakteriengehalt zu erhalten.
Die so erhaltene Milch besitzt einen sehr niedrigen Bakteriengehalt von etwa 10<3> Bakterien/ml oder weniger und enthält mehr organoleptische Komponenten als pasteurisierte Milch gleichen Bakteriengehalts.
Die Milch, die als Produkt des erfindungsgemässen Verfahrens erhalten werden kann, ist im allgemeinen haltbarer als Milch, die auf konventionellem Weg pasteurisiert wurde. In pasteurisierter Milch gibt es signifikante Bakterienrückstände, da Milch von Natur aus bestimmte Bakterien enthält, die auch das Pasteurisationsverfahren überleben. Daher muss pasteurisierte Milch weiterhin gekühlt gelagert werden, um das Bakterienwachstum und das Verderben der Milch zu reduzieren.
Leider sind einige der in Rohmilch enthaltenen Bakterien sowohl hitzestabil (Bakterien, die die Pasteurisation überleben) als auch psychrophil (Bakterien, die bei geringen Temperatuten von unter 15 Grad Celsius wachsen), wie z.B. Bacillus cereus. Die Anwesenheit thermostabiler, psychrophiler Bakterien in abgepackten Milchprodukten ist sehr nachteilig, da deren sogar unter Kühlbedingungen schnelles Wachstum zum Verderben der Milch führt.
Diese Erfindung kann sterile Milch herzustellen, die sogar bei Raumtemperatur für längere Zeit, z.B. für mehr als 30 Tage, gelagert werden kann. Die sterile Milch gemäss der Erfindung kann allgemein durch die Abwesenheit von Bakterien charakterisiert werden, insbesondere durch das Fehlen von folgender Bakterien und Pathogene:
<tb><TABLE> Columns=2
<tb><SEP>Thermostabile Bakterien
<tb><SEP>Micrococcus<SEP>M. luteus, M. roseus
<tb><CEL AL=L>Streptococcus<SEP>S. pneumoniae, S. lactis, S. faecalis
<tb><CEL AL=L>Lactobacillus<SEP>L. delbrueckii, L. lactis,
L. helveticus, L. casei, L. trichodes
<tb><SEP>Staphylococcus<SEP>S. aureus, S. eoidermidis,
<tb><SEP>Bacillus<CEL AL=L>B. cereus, B. subtilis, <SEP>B. macerans, B. stearothermophilus
<tb><SEP>Clostridium<SEP>C. butyrium, C. pasteurianum,
C. botulinum, C. perfringens
C. tetani
<tb><SEP>Psychrophile Bakterien
<tb><SEP>Pseudomonas<SEP>P. aeruginosa, P. fluorescens
P. pseudomallei, P. mallei
<tb><SEP>Archromobacter
Alcaligenes
<tb><SEP>Acientobacter<SEP>A. lignieressii, A.
A. equirli
<tb><CEL AL=L>Flavobacterium<SEP>F. aquatile, F. menigosepticum
<tb><SEP>Bacillus<SEP>B. cereus, B. subtilis,
B. macerans,
B. stearothermophilus
<tb><SEP>Coliforme Bakterien
<tb><SEP>Enterobacter<SEP>E. coli, Salmonella Typhi
Shigella Dysenteriae
Klebsiella Pneumoniae
<tb><SEP>Andere
<tb><SEP>Listeria<SEP>L. monocytogenes
<tb></TABLE>
Die erfindungsgemässe Milch kann daher die Bedingungen für pasteurisierte Milch der Klasse A erfüllen oder übertreffen, wonach die mit Standardmethoden festgestellte Kolonienzahl der Bakterien in der Milch 30 000 pro ml nicht übersteigen und coliforme Bakterien nur mit weniger als 10 Kolonien pro ml enthalten sein dürfen.
Bei einer anderen Ausführungsform liefert die Erfindung ein Verfahren zur Behandlung von Rohmilch, um behandelte Milch mit einem gegenüber der Rohmilch verringerten Bakteriengehalt herzustellen. Dieses Verfahren beinhaltet (1) die Milch in eine Fettfraktion mit einem minimalen Fettgehalt von etwa 10% und in eine entrahmte Milchfraktion zu trennen, (2) die entrahmte Milchfraktion zu homogenisieren und, innerhalb von 5 Minuten nach Homogenisation, der dynamischen Mikrofiltration zu unterwerfen, wobei die entrahmte Milchfraktion durch einen Mikrofilter mit einer mittleren Porengrösse, die ausreicht, den Bakteriengehalt der durchfliessenden Milch zu verringern, geleitet wird und das resultierende Filtrat einen niedrigeren Bakteriengehalt als die ursprüngliche Fraktion entrahmter Milch,
während das Konzentrat einen höheren Bakteriengehalt als die ursprüngliche Fraktion entrahmter Milch besitzt; (3) getrennt davon, Reduktion des Bakteriengehalts der Fettfraktion; und (4) nachfolgende Kombination der entrahmten Milchfraktion nach Mikrofiltration und der Fettfraktion mit erniedrigtem Bakteriengehalt.
Bei einer weiteren Ausführungsform schafft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Milch mit einem Fettgehalt von etwa 2%, mit:
(1) Homogenisieren der entrahmten Milchfraktion und, innerhalb von 5 Minuten nach der Homogenisation, (2) Zuführung der entrahmten Milchfraktion einer dynamischen Mikrofiltration, indem die entrahmte Milchfraktion durch einen Mikrofilter mittlerer Porengrösse geleitet wird, die ausreicht, um den Bakteriengehalt der durchfliessenden Milch zu verringern, wobei das resultierende Filtrat einen niedrigeren Bakteriengehalt als die ursprüngliche Fraktion entrahmter Milch aufweist, während das Konzentrat einen höheren Bakteriengehalt besitzt als die ursprüngliche Fraktion entrahmter Milch, (3) Reduktion des Bakteriengehalts einer Sahnefraktion mit einem Mindestfettgehalt von etwa 10%, und (4) anschliessende Kombination der entrahmten Milchfraktion nach Mikrofiltration und der Sahnefraktion mit verringertem Bakteriengehalt.
Die Erfindung schafft ausserdem ein Verfahren zur Behandlung von Milch für den Verzehr durch den Verbraucher, das aufweist: Erhalten von Rohmilch; Homogenisieren der Milch; innerhalb von etwa 5 Minuten nach Homogenisation, Unterwerfen der entrahmten Milchfraktion der dynamischen Mikrofiltration, wobei die Milchfraktion durch ein Mikrofilter mit einer mittleren Porengrösse, die zur Reduktion des Bakteriengehalts der durchfliessenden Milch ausreichend ist, geleitet wird, um ein Filtrat mit einem niedrigeren Bakteriengehalt als die ursprüngliche Rohmilch zu erhalten; Verpacken der Milch in für den Gebrauch durch den Abnehmer geeignete Behälter, und Transportieren der Milch ohne Kühlung zu einem Punkt, von dem aus die Milch an den Verbraucher vertrieben werden kann.
Allgemein schafft die Erfindung ein Vertriebsverfahren für Milch für den Verzehr durch den Verbraucher, das aufweist: Rohmilch zu erhalten, den Bakteriengehalt der Milch auf ein Level von 10<3> Bakterien pro ml oder weniger zu senken, die Milch für den Gebrauch durch den Abnehmer in einen Behälter zu verpacken und sie ohne Kühlung zu einem Punkt zu transportieren, von dem aus sie an den Verbraucher vertrieben werden kann. Dadurch werden Kühltransporte und Auslieferungsfahrzeuge unnötig.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der begleitenden Zeichnungen näher erläutert, wobei:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm der im erfindungsgemässen Verfahren eingesetzten Ausrüstung, und
Fig. 2 eine Darstellung der Partikelgrössen der Milch nach Homogenisation
zeigt.
Das Ausgangsmaterial ist frische, unbehandelte Rohmilch von einem domestizierten Tier, z.B. einer Kuh. Das erfindungsgemässe Verfahren kann auch auf behandelte Milch, z.B. pasteurisierte, angewendet werden, obwohl dann nicht alle Vorteile, wie die Herstellung von Milch mit im Vergleich zu pasteurisierter Milch verbesserten organoleptischen Eigenschaften, zum Tragen kommen.
Die zu behandelnde Rohmilch kann zuerst durch einen Wärmetauscher geleitet werden, um sie auf eine geeignete Temperatur zu bringen und, falls gewünscht, dann eine Trennzentrifuge passieren, um die gesamte oder einen Teil der Sahnefraktion in herkömmlicher Weise zu entfernen.
Als Überblick: Die Rohmilch wird homogenisiert und ziemlich schnell durch einen dynamischen Mikrofilter gegeben, wodurch eine Filtratfraktion und eine Konzentratfraktion entstehen. Die Poren des Mikrofilters sind derart bemessen, dass sie zumindest einen Teil der Bakterien zurückhalten. Das Filtrat, bei dem es sich um den Teil der Milchfraktion handelt, der die Rückhalte-Oberfläche des Mikrofilters passiert, besteht aus Milch ohne oder mit verringertem Bakteriengehalt (verglichen mit Milch vor Mikrofiltration), wobei der Fett- und Proteingehalt im wesentlichen unverändert bleibt. Die Filtratfraktion kann dann entweder direkt zur Herstellung anderer Produkte, z.B. Milchpulver, genutzt werden oder ohne weitere Behandlung abgepackt werden.
Die Filtratfraktion ist aus vielen Gründen erwünschter als die durch herkömmliche Pasteurisation erhaltene Milch. Sie enthält mehr organoleptische Bestandteile als pasteurisierte Milch, wodurch sie, gemäss den Wünschen des Verbrauchers, gehaltvoller im Geschmack wird. Darüber hinaus hat die erfindungsgemäss erhaltene Milch eine wesentlich längere Haltbarkeit, da z.B. psychrophile Bakterien, wie Bacillus cereus, mit dieser Erfindung vollständig entfernt werden können, was mit herkömmlicher Pasteurisation unmöglich war.
Die Konzentratfraktion, d.h. der Teil der Milchfraktion, der von der Membranoberfläche des Mikrofilters, von der er zurückgewonnen werden kann, zurückgehalten wird, besteht aus Milch mit einem erhöhten Bakteriengehalt (im Vergleich zu der eingesetzten Milch vor der Mikrofiltration), wobei sich der Fettkügelchen- und Proteingehalt im wesentlichen nicht ändert. Die Konzentratfraktion kann anschliessend verworfen oder in anderen Verfahren genutzt werden.
Das Filtrat kann noch einige Bakterien enthalten, aber je niedriger der Bakteriengehalt ist, umso haltbarer ist das Produkt. Eine vollständige Sterilisation ist erwünscht, aber die anfängliche Wachstumsrate einer geringen Konzentration von verbleibenden Bakterien ist normalerweise niedrig genug, um dem Milchprodukt eine wesentlich verlängerte Haltbarkeit zu verleihen.
Die Haltbarkeit der Milch, die gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt wird, ist gegenüber der herkömmlich pasteurisierten Milch beträchtlich verlängert, da besonders die Konzentration von Bacillus cereus-Bakterien stark reduziert ist.
Da die erfindungsgemässe Milch steril gemacht werden kann (wogegen Milch, die unter Anwendung herkömmlicher Pasteurisationsverfahren erhalten wird, nicht wirklich steril sein kann), kann sie eine extrem lange Haltbarkeit bei Raumtemperatur oder unter gekühlten Bedingungen haben, insbesondere wenn die Milch unter aseptischen Bedingungen in Behälter abgefüllt wird. Ein Weg, dies zu erreichen, ist die Form-Füll-Siegel-Technik (form-fill-seal-technique), die in der Verpackungsindustrie bekannt ist. Die Technik wird häufig zur Verpackung steriler Lösungen oder ähnlichem, z.B. in der pharmazeutischen Industrie, angewendet. Die Milch, die erfindungsgemäss hergestellt wurde, kann unter Verwendung der Form-Füll-Siegel-Technik abgefüllt werden. Diese Milch kann dann selbst bei Raumtemperatur eine extrem lange Haltbarkeit haben.
Das genaue Verfahren oder die Anlage zur Abfüllung ist nicht kritisch. Nur beispielhaft und zur Erläuterung der Form-Füll-Siegel-Technik, wird die folgende Beschreibung vorgelegt.
Einige vertikale Form-Füll-Siegel-Anlagen verwenden ebenes Bahnmaterial einer synthetischen, thermoplastischen Folie, das von einer Rolle abgewickelt und in einem Schlauch-formenden Verfahrensabschnitt zu einem Endlos-Schlauch geformt wird, indem die Längskanten der Folie wasserdicht miteinander verbunden werden. Bei anderen Vorrichtungen wird der Schlauch zum Zeitpunkt des Gebrauchs aus einer Harzschmelze extrudiert. Der so gebildete Schlauch wird zu einer Abfüllstation weitergefördert, wo er entlang seines Querschnitts (transverse cross-section) zusammengeklappt wird. Der Querschnitt liegt an einer Siegelstation unterhalb der Abfüllstation. Die Siegelstation stellt eine Quer-Schweissnaht am zusammengeklappten Teil des Schlauchs her, wodurch der Schlauch luftdicht verschlossen wird. Nach Anbringung der Quer-Siegelnaht wird eine bestimmte Menge des zu verpackenden Materials, z.B.
Flüssigkeit, an der Füllstation in den Schlauch eingefüllt und der Schlauch oberhalb der erwähnten Quer-Siegelung gefüllt. Der Schlauch wird dann eine vorgegebene Distanz abwärts bewegt und quer an der zweiten Querstation versiegelt und abgetrennt. Eine derartige, vertikale Form-Füll-Siegel-Anlage, wie sie soeben beschrieben wurde, wird unter dem Warenzeichen PREPAC vertrieben, eine andere ist im U.S. Patent Nr. 5 038 550 offenbart.
Die Milchfraktion wird nach einer eventuellen Auftrennung durch Zentrifugation vor der Homogenisierung bevorzugt zuerst auf eine für die Homogenisierung brauchbare Temperatur erwärmt oder gekühlt. Die Milch wird danach in einen Homogenisierer gegeben, in dem die Grösse des emulgierten Fetts soweit reduziert wird, dass es die Membran passieren kann. Bevorzugt ist eine Grösse aller suspendierten Partikel von weniger als etwa 1 micron. Es ist wichtig, dass die Milch verhältnismässig bald nach der Homogenisierung gefiltert wird. Bevorzugt erfolgt die Filtration innerhalb von weniger als etwa 5 Minuten, besonders bevorzugt innerhalb von weniger als etwa 2 Minuten und im ganz besonders bevorzugt in weniger als etwa 30 Sekunden nach Homogenisierung.
Hier ist der wichtige Punkt nicht die Zeit, die vor Filtration verstreicht, sondern die Durchführung der Filtration vor wesentlicher Agglomeration der Kügelchen, die zur Bildung einer beträchtlichen Anzahl von Partikeln mit einer Grösse von mehr als etwa 1 micron führt.
Es ist unverzichtbar, die entrahmte oder Vollmilch vor der Filtration in einer zylindrischen, dynamischen Mikrofiltrationseinheit zu homogenisieren, um die Fettbestandteile und andere Komponenten der Milch gründlich zu emulgieren und zu suspendieren, deren Grösse ausreichend zu verringern und so eine einwandfreie Filtration zu erreichen. Ein rotierender Scheibenfilter entwickelt schon direkt an der Oberfläche der sich drehenden Scheibe bedeutende Scherkräfte. Daher kann ein gewisser Grad der Homogenisierung der Milch im wesentlichen gleichzeitig mit der Filtration erfolgen. Eine solche "Eigen"emulgation der Milch durch die Wirkung des dynamischen Mikrofilters ermöglicht es, dass entrahmte Milch, ohne dass es eines separaten Homogenisierers bedarf, unter Verwendung eines sich drehenden Scheibenfilters hergestellt wird.
Tatsächlich bewirkt die Umgebung des Rotations-Scheibenfilters, dass die Milch sowohl homogenisiert als auch gleichzeitig filtriert wird, was durch eine zylindrische Rotations-Filtereinheit nicht erreicht wird. Ein Rotations-Scheibenfilter kann eine Schergeschwindigkeit von etwa 200 000 sec<->1 hervorrufen, wogegen eine sich drehende, zylindrische Einheit lediglich eine Schergeschwindigkeit von etwa 10 000 sec<-><1> bewirkt.
Obwohl die Scherkräfte in einer sich drehenden Scheibenfiltereinheit beträchtlich sind, kann in den meisten Fällen nicht davon ausgegangen werden, dass sie ausreichen, um Vollmilch im erforderlichen Ausmass zu homogenisieren.
Dynamische Filtration
Erfindungsgemäss wird die Filtration als dynamische Filtration durchgeführt, d.h. dass das Filtermedium selbst in ständiger Bewegung gehalten wird, so dass die tatsächliche Flussrate der Milch über dem Filter ausserordentlich hoch ist. Die spezielle physikalische Form der dynamischen Membran ist nicht entscheidend. Die Membran kann also z.B. die Form von Scheiben oder Zylindern haben. Solche dynamische Mikrofiltrationsvorrichtungen sind vorher erörtert worden und für eine Anwendung in der Erfindung geeignet. Im allgemeinen besteht der dynamische Mikrofilter aus einem zylindrischen oder scheibenförmigen Membranelement, das sich in einem es umgebenden, undurchlässigen Zylinder dreht.
In einem zylinderförmigen, dynamischen Mikrofilter wird, wenn die zu filternde Flüssigkeit in den Spalt zwischen dem Stator und der rotierenden Membran gegeben wird, der Impuls der sich drehenden Membran auf die Flüssigkeit übertragen. Die Flüssigkeit nahe des inneren Zylinders erfährt dabei eine grössere Zentrifugalkraft als die Flüssigkeit nahe des äusseren Zylinders. Dieses Phänomen ruft unter bestimmten Bedingungen ein Strömungsmuster hervor, das als Taylorscher Wirbel bekannt ist und den Aufbau nennenswerter Rückstände an der Membranoberfläche verhindert.
Das dynamische Filtrationsverfahren nutzt die Entstehung der Taylorschen Wirbel, indem es die Oberfläche der Membran frei von möglichen Rückständen hält, deren Bestandteile dadurch in der zu filternden Flüssigkeit suspendiert bleiben. Das Verfahren teilt das Aufgabegut in ein Filtrat (der Teil der Flüssigkeit, der die Membran passiert) und ein Konzentrat (die Fraktion, die die suspendierten Partikel enthält, die sich normalerweise an der Oberfläche der Membran abgesetzt und die Membran dadurch zugesetzt hätten). Derart kann eine hohe Flussrate durch die Membran über einen langen Zeitraum aufrechterhalten werden. Die Menge des Aufgabeguts und des Konzentrats muss derart gesteuert werden, dass sich ein beständiger Fluss ergibt. Selbst mit geringen Flussraten des Konzentrats ist es möglich, einen beständigen Fluss der Flüssigkeit zur Membranoberfläche aufrechtzuhalten.
Die dynamische Mikrofiltration ermöglicht eine grosse Spannweite wirksamer Oberflächengeschwindigkeiten des Filters relativ zur aufgegebenen Milch. Z.B. ist eine wirksame Oberflächengeschwindigkeit von etwa 3 m/sec bis etwa 50 m/sec einsetzbar, bevorzugt von etwa 5 m/sec bis etwa 30 m/sec und be sonders bevorzugt von etwa 8 m/sec bis etwa 20 m/sec.
Um die erwünschten Oberflächengeschwindigkeiten zu erreichen, muss ein repräsentatives Filtermedium in Form eines Zylinders mit einem Durchmesser von etwa 6,35 cm mit einer Geschwindigkeit von etwa 1000 bis etwa 6000 Umdrehungen pro Minute (Upm) gedreht werden, wobei üblicherweise eine Geschwindigkeit von 5000 Upm genommen wird.
Wenn eine dynamische Scheiben-Filtrationseinrichtung eingesetzt wird, hat der typische Scheibenfilter einen Durchmesser von etwa 5,08 bis etwa 121,92 cm. Solche Scheiben können z.B. mit Geschwindigkeiten von etwa 1000 Upm bis etwa 8000 Upm (üblicherweise von etwa 3000 bis etwa 6000 Upm) gedreht werden, abhängig von der Bauart dieses speziellen, zur Anwendung kommenden, dynamischen Mikrofilters.
Vorzugsweise liegen die Schergeschwindigkeiten eines solchen Scheibenfilters zwischen etwa 100 000 sec<-><1> bis etwa 400 000 sec<-><1>. Unter den bevorzugten Scheibenfiltern befinden sich solche der Art, wie sie in der U.S. Patentanmeldung Nr. 07/812 123, angemeldet am 24.12.1991, offenbart sind. Die zugehörige Patentschrift wird in dieser Patentschrift als Offenbarung zur Vermeidung von Wiederholungen eingeführt.
Die Porengrösse des Mikrofilters ist so gewählt, dass die in der Milch enthaltenen Bakterien zurückgehalten werden und gleichzeitig eine akzeptable Flussrate durch den Mikrofilter aufrechterhalten bleibt. Geeignete Membranen sind hydrophile, mikroporöse Membranen mit guten Strömungseigenschaften, enger Verteilung der Porengrösse und gleichbleibender Leistung bei der Entfernung der interessierenden Bakterien. Die Porengrösse der Mikrofiltermembran sollte von etwa 0,01 micron bis etwa 5,0 micron reichen, wie es mit Methoden nach dem Stand der Technik bestimmbar ist. Die Tests sind als Blasenbildungpunkt (ASTM F316-86) und KL-Verfahren (U.S. Patent Nr. 4 340 479) bekannt. Vorzugsweise wird die Porengrösse von etwa 0,1 bis etwa 1,0 micron reichen. Besonders bevorzugt sind Filter, deren Porengrösse von etwa 0,2 bis etwa 0,5 micron reicht.
Solche mikroporösen Filter sind wohlbekannt und leicht zu erhalten.
Bevorzugte mikroporöse Membranen, die erfindungsgemäss verwendet werden können, umfassen solche, wie sie von der Pall Corporation unter den Warenzeichen Ultipor N66< TM >, Fluorodyne< TM > und Posidyne< TM >; von Cuno Corporation unter dem Warenzeichen Zetapor< TM > und von Millipore unter dem Warenzeichen Durapore< TM > verkauft werden.
Die zylinderförmigen Membranelemente, die erfindungsgemäss eingesetzt werden, beinhalten solche, die mit bekannten Verfahren an einer Halterung leckdicht befestigt sind.
Zuletzt sollten die Bakterien in einen Strom konzentriert werden, der weniger als 5% des Aufgabeguts enthält; mehr als 95% der normalerweise in Milch enthaltenen Feststoffe und Proteine sollen über einen längeren Zeitraum die Membran passieren.
Der dynamische Mikrofilter kann für einmaligen Durchgang betrieben werden, ohne dass das Konzentrat rückgeschleust werden muss. Falls erwünscht, kann das Konzentrat zum Aufgabegut rückgeführt werden. Wenn ein zylinderförmiger, dynamischer Mikrofilter verwendet wird, kann er mit verschiedenen Verhältnissen von Filtratströmung zur gesamten Aufgabegutströmung (Konzentrationsfaktoren) betrieben werden. Ein Filtrat/Aufgabegut-Verhältnis von mehr als 90%, besser noch etwa 95% und insbesondere mehr als 98% ist vorteilhaft beim Betrieb eines zylinderförmigen dynamischen Mikrofilters, um hauptsächlich das erwünschte, nur äusserst wenige Bakterien enthaltende Filtrat zu erhalten.
Ähnlich verhält es sich, wenn ein sich drehender, scheibenförmiger dynamischer Mikrofilter verwendet wird. Er kann auch bei verschiedenen Verhältnissen von Filtratströmung zu Gesamt-Aufgabegutströmung betrieben werden, wobei eine breite Variation von Filtrat/Aufgabegut-Verhältnissen möglich ist. Die Wahl eines grossen Verhältnisses führt zu geringem Durchfluss, während ein kleines Verhältnis höheren Durchfluss bedeutet. Es wird angenommen, dass ein Betrieb bei einem Verhältnis von etwa 40% vorteilhaft ist, um eine gleichbleibende Durchflussmenge durch den Filter aufrechtzuerhalten, obwohl auch andere Verhältnisse verwendet werden können.
Die Filtration der frisch homogenisierten Milch kann warm bei 40 DEG C bis 60 DEG C durchgeführt werden, was in etwa der bei ungefähr 40 DEG C liegenden Kristallisationstemperatur der höher schmelzenden Bestandteile des Milchfetts entspricht. Dieser Wert liegt unter dem bei herkömmlicher thermischer Pasteurisation verwendeten. Alternativ kann, unter einer geringen Verminderung der Durchflussmenge, die Milch bei viel niedrigeren Temperaturen filtriert werden, wie.z.B. zwischen etwa 15 DEG C und etwa 35 DEG C, insbesondere von etwa 20 DEG C bis etwa 25 DEG C.
Allgemein
Nach der Mikrofiltration kann das Konzentrat in jeder geeigneten Weise abgenommen werden, einer weiteren Behandlung zugeführt oder direkt genutzt werden.
Das Verfahren dieser Erfindung kann vorteilhafterweise genutzt werden, wenn das erwünschte Endprodukt entweder Vollmilch, standardisierte Milch oder entrahmte Milch ist.
Die Durchflussmenge durch eine die Bakterien zurückhaltende Membran ist bei Milch mit einem verringerten Fettgehalt normalerweise höher als bei Milch mit hohem Fettgehalt. In bestimmten Situationen ist es wirtschaftlich vorteilhafter, Milch mit einem höheren Fettgehalt (z.B. Milch mit 2% Fett) herzustellen, indem filtrierte, entrahmte Milch mit einer filtrierten Fettfraktion gemischt wird. Bei dieser Fettfraktion kann es sich um eine Sahnefraktion mit einem Mindestfettgehalt von etwa 10% handeln.
Die Filtration der Sahnefraktion kann mit dem in der Anmeldung No. 07/952 337 offenbarten Verfahren oder unter Verwendung einer Filterpatrone erfolgen, die an ihrem einen Ende einen für Bakterien undurchlässigen Filter aufweist. Die Filtration kann in einer industriell akzeptablen Weise durchgeführt werden, indem die Fettmischung bis zu einem Punkt erhitzt wird, an dem sie sich im flüssigen Zustand befindet und leicht durch eine mikroporöse Membran filtriert werden kann. Das vorgewärmte Fett kann vor der Filtration homogenisiert werden. Alternativ kann das Fettgemisch zur Verminderung des Bakteriengehalts einer Pasteurisation zugeführt werden oder es kann eine Kombination aus Pasteurisation und Mikrofiltration angewendet werden.
Ferner kann, falls mit dem Verfahren ein Proteinkonzentrat der Milch eines transgenen Tiers (z.B. einer transgenen Kuh) erhalten werden soll, die dynamische Mikrofiltration unter Verwendung einer mikroporösen Membran mit einer Porengrösse von etwa 0,2 micron oder weniger durchgeführt werden, um ein hochkonzentriertes Konzentrat zu erreichen.
Eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens kann konstruiert werden, indem herkömmliche Geräte wie Trennzentrifugen, Mikrofilter, Sterilisationseinheiten, Wärmetauscher und Pumpen untereinander verbunden werden. Fachleute werden leicht in der Lage sein, Ventile zur Strömungs- und Drucksteuerung und andere notwendige Hilfsvorrichtungen zu liefern, um eine solche Anlage betriebsbereit zu machen und mit weiteren üblichen, für die spezielle Anwendung notwendigen Modifikationen zu versehen.
Alle bisher erwähnten Entgegenhaltungen sind als Querverweise hier enthalten. Die nun folgenden Beispiele verdeutlichen bestimmte Anwendungsformen, sind aber in keiner Weise als Begrenzung des Umfangs der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen offenbart wird, gedacht.
Allgemeines Verfahren
Für die Beispiele wurden folgende allgemeine Verfahren angewendet.
Verfahren A:
Temperatureinstellung der Milch
Falls nicht anders angegeben, handelt es sich bei der in den folgenden Beispielen verwendeten Milch um käuflich im Einzelhandel erworbene Milch.
Die Temperatur der Milch wurde vor der Filtration auf eine für die Behandlung geeignete Verfahrens-Temperatur gebracht. Die bevorzugte Betriebstemperatur (40-60 DEG C) wurde verwendet, da der grösste Teil des Milchfetts bei dieser Temperatur in nicht-kristallisierter Form vorliegt. Das Verfahren fand in einem ummantelten 35 l Fermentationsgefäss statt (Typ 3000 von Chemap A.G.). Das Gefäss wurde mit der Milch gefüllt und der Inhalt wurde, falls nicht anders angegeben, mit einem Warmwassermantel auf etwa 50 DEG C erwärmt. Die Milch wurde während des Erwärmungsprozesses gerührt, um den Wärmeaustausch zu beschleunigen.
Sobald die Milch die erwünschte Verfahrenstemperatur erreicht hatte, wurde sie mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 l/min in den Homogenisierer gepumpt.
Verfahren B:
Homogenisierung der Milch
Sobald sich die Milch im Homogenisierer (Modell 15 MR von APV Gaulin, Inc.) befindet, wird sie einem zweiphasigen Homogenisierungsprozess unterzogen, mit einem ersten Schritt bei etwa 17,5 x 10<6> Pa (2500 psi) und einem zweiten bei etwa 35 x 10<5> Pa (500 psi). Die im APV Gaulin-Betriebshandbuch vorgegebenen Verfahren zum Starten und Betreiben dieser Einheit wurden befolgt. Nach der Homogenisierung wurde die Milch üblicherweise in einen ummantelten Druckbehälter überführt, in dem die erwünschte Verfahrenstemperatur aufrechterhalten wurde. Dieser Behälter fungierte als Flüssigkeitspuffer zwischen dem Auslass des Homogenisierers und der Ausgabe zum Filter.
Wann immer es erwünscht war, konnte die homogenisierte Milch durch den Homogenisierer rückgeführt werden, um ein konstantes Volumen im Behälter aufrechtzuerhalten.
Verfahren C:
Einbringen von Bakterien in den Milchaufgabestrom
In einigen Experimenten wurde der Milchstrom künstlich mit Bakterien beimpft, um die mit dieser Erfindung mögliche, äusserst hohe Titerverminderung zu demonstrieren. Die Bakteriensuspension wurde über eine zwischen das Behandlungsgefäss und den Homogenisierer geschaltete Messpumpe zu dem Aufgabestrom gegeben. Die Durchflussmenge des Inokulums wurde so gehalten, dass eine erwünschte Bakterienkonzentration von etwa 106 Bakterien pro ml Milch erreicht wurde. Da die Bakterien vor dem Homogenisieren zugegeben wurden, fand vor dem Erreichen der Filtrationsvorrichtung eine gute Vermischung der Bakterien in der zu behandelnden Flüssigkeit statt. In den meisten Beispielen wurde E.coli, Stamm ATCC 15 224, verwendet.
Ein anderes Verfahren, die Milch mit Bakterien zu beimpfen, bestände darin, die Bakterien direkt bis zu der gewünschten Konzentration in das Verfahrensgefäss zu geben. Ein solches Verfahren ist nicht bevorzugt, da bei ihm die Bakterien zu lange Temperaturen oberhalb der Umgebungstemperatur ausgesetzt werden. Dies könnte, abhängig vom verwendeten Stamm, zu unerwünschtem Wachstum oder übermässigem Abtöten der Bakterien führen, bevor sie die Filtrationsvorrichtung erreicht haben.
Verfahren D:
Bakteriennachweis
Mesophiles: die Bakterienkonzentration wurde bestimmt, indem nach einer Verdünnungsreihe der Probe die geeignete Verdünnung durch eine sterile Membran mit einer Porengrösse von 0,2 micron gegeben wurde und anschliessend für 24 h auf Mueller-Hilton-Agar bei 32 DEG C kultiviert wurde. Diese Verfahren sind in der Veröffentlichung "Manual of Clinical Microbiology, 2nd Edition, 1974, ASM, Washington, D.C." detailliert beschrieben.
Listeria monocytogenes, ATCC 43256, war das getestete Pathogen. Die Populationsdichte in den Proben wurde mit dem Verfahren nach Agello et al. bestimmt (Agello, G., Hayes, P. and Feeley, J.: Abstracts of the Annual Meeting. 1986, ASM, Washington DC, S. 5).
Verfahren E:
Reinigungsverfahren
Desinfektion und Sterilisation wurden vor jedem Experiment mit 0,1 N NaOH durchgeführt. Im Sterilisationsverfahren wurden die Membran und das gesamte zugehörende Gerät zuerst mit Was ser gespült und anschliessend ungefähr 1/4 h bei 50 DEG C mit 0,1 N NaOH behandelt. Die ätzende Flüssigkeit wurde dann mit Phosphorsäure neutralisiert. Diese neutralisierte Lösung wurde verwendet, um das System so lange zu spülen, bis alle Teile neutralisiert waren. Die Filtrationsversuche wurden sofort im Anschluss an diese Prozedur durchgeführt. Das gesamte Gerät und die Filterelemente wurden nach Abschluss eines jeden Versuchs unter Anwendung des Sterilisationsverfahrens desinfiziert.
Verfahren F:
Test auf Unversehrtheit
Jedes Membranelement wurde vor jedem Versuch (bakterielle Herausforderung) auf Unversehrtheit überprüft. Ein "forward flow test", wie er in der Veröffentlichung NM 900a "The Pall Ultipor membrane filter guide", copyright 1980, zu erhalten über Pall Corporation, beschrieben ist, wurde als Unversehrtheitstest angewendet.
Beschreibung der Filtervorrichtung
1. Der zylinderförmige dynamische Mikrofilter
Der für diese Tests verwendete, zylinderförmige, dynamische Mikrofilter (zylindrischer DMF) war vom Typ BDF-01, hergestellt von Sulzer Brothers Limited, Winterthur, Schweiz. Die Ausstattung ist bei Rebsamen et al. (Dynamic Microfiltration and Ultrafiltration in Biotechnology, Rebsamen, E. and Zeigler, H., Proceedings of the World Filtration Congress IV, 1986, (Ostend, B)) beschrieben. Siehe auch U.S. Patente Nos. 4 066 554 und 4 093 552, die hier als Entgegenhaltungen/Querverweise eingeschlossen sind.
2. Beschreibung der Membranfilterelemente
Die in diesen Versuchen normalerweise verwendeten Filterelemente waren verschiedene Klassen von Nylonmembranen, Ultipor N66< TM > und Posidyne< TM >, die von Pall Corporation, Glen Cove, N.Y., bezogen werden können. Die Porengrössen lagen bei 0,2, 0,30, 0,45 und 0,65 micron. Die Oberfläche der Membranelemente hatte eine Grösse von 0,04 m<2>.
3. Der dynamische Mikrofilter in Scheibenform
Die scheibenförmige Ausführung besteht aus einer scheibenförmigen Membranhalterung mit einem Durchmesser von 15,24 cm, die auf einer hohlen Welle angebracht ist und sich in einem wasserdichten Gehäuse mit den notwendigen Anschlüssen für die Flüssigkeitszu- und -abfuhr befindet. Die Haltescheibe besitzt Vorrichtungen, um die Membranen leckagefest zu befestigen, und enthält Ablaufrinnen, um den Filtratfluss durch die Membran und die Scheibe und durch die Welle nach draussen zu ermöglichen. Die wirksame Membranfläche betrug 0,014 m<2>, und es sind Drehgeschwindigkeiten von bis zu 4500 Upm erreichbar.
Jede der oben aufgeführten dynamischen Scheiben-Mikrofiltrationseinheiten kann erfindungsgemäss angewendet werden. Für die Beschreibung einer anderen dynamischen Mikrofiltrationseinheit in Scheibenformat, die erfindungsgemäss verwendet werden kann, sei auch auf die U.S. Patentanmeldung No. 07/812 123, angemeldet am 24. Dezember 1991, verwiesen.
4. Beschreibung der Membranfilterelemente
Die Membranfilterelemente gehörten zu derselben Klasse von Membranen, wie sie im Abschnitt "zylindrische DMF" beschrieben sind. Normalerweise bestehen die Membranen aus runden, glatten Ringen ("donuts"), die passend für die scheibenförmigen DMF zurechtgeschnitten sind. Sobald sie in den dynamischen Mikrofilter eingebaut waren, wurde die Filtratkammer gegen das Aufgabegut mit Hilfe von O-Ringen abgedichtet. Die Membranfilterelemente hatten eine Oberfläche von 0,014 m<2>.
Verfahren G1:
Betrieb des zylinderförmigen dynamischen Mikrofilters
Vor der Filtration wurde ein Filterelement, wie im Abschnitt unter Filterzusammenbau beschrieben, in den zylinderförmigen dynamischen Mikrofilter (DMF) eingebaut. Desinfektion und Sterilisation wurden gemäss Verfahren E vorgenommen. Nach Einhaltung der in Verfahren G2 ausgeführten Verfahren zum Inbetriebsetzen der Anlage, wurde die zu filtrierende Milch vom Behälter über eine Verdrängerpumpe in die zylindrische DMF gepumpt. Die Konzentratmenge wird über eine zweite Pumpe oder ein Druckentlastungsventil, die an der Konzentratöffnung befestigt sind, gesteuert. Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit des Aufgabeguts, des Filtrats und des Konzentrats und der Aufgabedruck wurden zu verschiedenen Zeiten, normalerweise in Intervallen von 10 min, während der Durchführung des Experiments abgenommen.
Standardbedingungen für das Betreiben der zylindrischen DMF waren eine Drehgeschwindigkeit von 5000 Upm, ein Verhältnis von Filtrat zu Aufgabegut von mehr als 95% und ein Aufgabedruck von etwa 1,3 x 10<5>-2,0 x 105 (1,3-2,0 bar). Alle mit dieser Vorrichtung durchgeführten Beispiele erfolgten mit einer konstanten Durchflussmenge des Aufgabeguts.
Verfahren G2:
Inbetriebsetzen des dynamischen Filters
Bevor die Milch in den dynamischen Filter gegeben wurde, wurde warmes, deionisiertes, filtriertes (0,2 micron-Filter) Wasser durch das System geschickt, um die zugehörigen Maschinen in Betrieb zu setzen. Die Rotationsgeschwindigkeit des dynamischen Filters wurde mit dem durch das System fliessenden Wasser auf die Betriebsgeschwindigkeit gebracht. Sobald das System ein Gleichgewicht erreicht hatte, wurde der Milchfluss angeschaltet. Die Milch verdrängte das im System befindliche Wasser und die Filtration begann.
Verfahren H:
Betreiben des dynamischen Scheiben-Mikrofilters
Ein Scheiben-DMF Filterelement, wie es in dem Abschnitt unter Filterzusammenbau beschrieben ist, wurde in die Scheiben-DMF eingebaut. Desinfektion und Sterilisation wurde gemäss Verfahren E vorgenommen. Nach Einhaltung der in Verfahren G2 ausgeführten Verfahren zum Inbetriebsetzen der Anlage, wurde die zu filtrierende Milch vom Druckbehälter in die Scheiben-DMF gepumpt. Die Menge des Konzentrats und der Aufgabedruck wurden über ein Ventil gesteuert, das sich an der Konzentratöffnung befand. Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit des Aufgabeguts, des Filtrats, des Konzentrats und der Aufgabedruck wurden zu verschiedenen Zeiten, normalerweise in Intervallen von 10 min, während der Durchführung des Experiments gemessen. Eine Aufgabegeschwindigkeit von 960 ml/min wurde bei allen Beispielen eingehalten.
Die aufgeführten Filtratfluxe waren die, die erreicht wurden, wenn sich die Strömung in der Filtereinheit stabilisiert hatte.
Beispiele
Beispiel 1
Entrahmte Milch mit Raumtemperatur wurde mit einer Geschwindigkeit von 600 ml/min in eine Zylinder-DMF, der mit einer 0,45 micron Ultipor N66< TM > Membran bestückt war, gepumpt. Es wurden die im Verfahren G1 näher beschriebenen Betriebsbedingungen in der DMF eingehalten und diese sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Der Aufgabedruck begann wenige Minuten nach dem Start des Tests rapide zu steigen, was auf ein Zusetzen der mikroporösen Membran hindeutete.
Beispiel 2
Entrahmte Milch wurde gemäss Verfahren A auf 50 DEG C erwärmt und gemäss Verfahren B homogenisiert. Die homogenisierte Milch wurde dann etwa vier Stunden im Zwischenbehälter gelagert. Währenddessen wurde die Milch auf 50 DEG C gehalten. Nach dieser vierstündigen Pause wurde die Milch mit einer Aufgabegeschwindigkeit von etwa 600 ml/min in den mit einer 0,45 micron Ultipor N66< TM > Membran bestückten Zylinder-DMF gepumpt. Es wurden die im Verfahren G1 ausgeführten, bevorzugten Betriebsbedingungen für den DMF eingehalten. Der Aufgabedruck begann nach nur wenigen Minuten Betrieb rapide zu steigen, was auf ein Zusetzen der mikroporösen Membran hindeutete, weshalb der Test beendet werden musste.
Beispiel 3
Entrahmte Milch, gemäss Verfahren A auf 50 DEG C erwärmt und gemäss Verfahren B homogenisiert, wurde innerhalb von nicht mehr als 5 Minuten nach der Homogenisierung in den mit einer 0,45 micron Ultipor N66< TM > Membran bestückten Zylinder-DMF gepumpt. Es wurden die im Verfahren G1 ausgeführten, bevorzugten Betriebsbedingungen für den DMF eingehalten. Bis zum Ende der Milchversorgung wurde ein stabiler Filtratfluss von 1080 l/h/m<2> eingehalten. Während des Verlaufs des Experiments wurde kein Ansteigen des Aufgabedrucks beobachtet. Sobald die gesamte Milch behandelt worden war, wurde die Aufgabe, ohne den Betrieb des Systems zu stören, auf 50 DEG C warme, nicht-homogenisierte, entrahmte Milch umgeschaltet. Innerhalb weniger Minuten fiel der Filtratfluss rapide ab und der Systemdruck stieg, was darauf hindeutete, dass ein Zusetzen der Membran stattgefunden hatte.
Dieses Beispiel zeigt eindeutig, dass die Milch homogenisiert werden muss, um signifikanten Fluss durch die Membran zu erhalten.
Die Beispiele 1-3 zeigen, dass es notwendig ist, die Milch vor der Filtration einer ausreichenden Scherung auszusetzen (in diesem Fall über Homogenisierung), um die Grösse der emulgierten Partikel ausreichend zu reduzieren. Das ermöglicht der Milch, die mikroporöse Membran zu passieren, wodurch eine einwandfreie Filtration erreicht wird. In Beispiel 2 ist insbesondere gezeigt, dass die Partikelgrösse innerhalb kurzer Zeit nach der Homogenisierung wieder zunimmt. Daher muss für eine einwandfreie Filtration die Homogenisierung kurz vor der Filtration stattfinden, z.B. weniger als 5 Minuten vorher, wobei kürzere Intervalle noch besser sind.
Beispiel 4
Entrahmte Milch wurde gemäss Verfahren A vorgewärmt und in eine mit einer 0,45 micron Ultipor N66< TM > Membran bestückten Scheiben-DMF gepumpt. Die im Verfahren H beschriebenen Verfahren wurden angewendet. Es wurde schnell ein gleichförmiger Fluss des Filtrats aufgebaut, der dann etwa 100 Minuten bis zum Ende der Milchversorgung aufrechterhalten wurde.
Die Betriebsbedingungen der Scheiben-DMF erzeugen eine berechnete Schergeschwindigkeit von etwa 200 000 sec<-><1> im Zwischenraum zwischen der sich drehenden Scheibe und der Membran. Diese Scherung liegt im Bereich der vom Homogenisierer unter den Bedingungen des Verfahrens B erzeugten Schergeschwindigkeiten.
Das Beispiel zeigt, dass die vor der Filtration benötigte Scherung in einem Schritt erreicht werden kann, d.h., ohne dass getrennte Homogenisierungsvorrichtungen benötigt werden.
Das Beispiel zeigt deutlich, dass die Membran durch die in der Milch befindlichen Feststoffe nicht zugesetzt wurde und dass die durch die Rotation der Scheibe erzeugte Scherung von etwa 200 000 sec<-><1> ausreichte, um die Partikelgrösse in der entrahmten Milch soweit zu verringern, dass die Milch die Mikrofiltermembran passieren konnte und so eine einwandfreie Filtration erhalten wurde.
Tabelle 1 fasst die Ergebnisse der Beispiele 1-4 zusammen; die Daten zeigen, dass ein Gleichgewichts-Filtratfluss durch die Membran erreicht wird, wenn die Milch kurze Zeit vor der Filtration ausreichend geschert wird.
<tb><TABLE> Columns=8 Tabelle 1
<tb>Head Col 1: Beispiel Nr.
<tb>Head Col 2: Filtrations-
methode
<tb>Head Col 3: Aufgabegut-
temperetur
( DEG C)
<tb>Head Col 4: Scherung im Filter (sec<-><1>)
<tb>Head Col 5: Homogeni-
sierung
<tb>Head Col 6: Pause nach Homogeni-
sierung
<tb>Head Col 7: Porengrössen (micron)
<tb>Head Col 8:
Fluss
(l/h/m<2>)
<tb><SEP>1<SEP>Zylinder<SEP>25<SEP>10 000<SEP>nein<SEP>nein<SEP>0,45<CEL AL=L>0
<tb><CEL AL=L>2<SEP>Zylinder<SEP>50<SEP>10 000<SEP>ja<SEP>4 Std.<SEP>0,45<SEP>0
<tb><SEP>3<CEL AL=L>Zylinder<SEP>50<SEP>10 000<SEP>ja<SEP>5 Min.<SEP>0,45<SEP>1080
<tb><SEP>4<CEL AL=L>Scheibe<SEP>50<SEP>200 000<SEP>nein<SEP>-<SEP>0,45<SEP>1600
<tb></TABLE>
Beispiel 5
Um die Beziehung zwischen der Partikelgrösse und der Zeit nach der Homogenisierung zu bestimmen, wurde entrahmte Milch gemäss Verfahren A erwärmt und mit den im Verfahren B beschriebenen Verfahren homogenisiert. Die Verteilung der Partikelgrösse in Abhängigkeit von der Zeit nach Homogenisierung wurde bestimmt. Die Partikelgrössenverteilung wurde unter Verwendung eines Integrated Micro-Optical Liquid Volumetric Sensor (IMOLV-.2), zu beziehen über Particle Measurement Systems, Colorado, gemessen. Dieser Laser-Teilchen-Zähler eignet sich für die Messung von Partikelgrössen im Bereich von etwa 0,1-5,0 micron.
Die Milchproben wurden 1:300 000 verdünnt und dann der Untersuchung unterzogen, wie es im Betriebshandbuch für das IMOLV-Gerät beschrieben ist. Zur Verdünnung der Milchproben wurde filtriertes (0,04 micron Filter), bei 18 mega-Ohm entionisiertes (DI) Wasser mit einer Teilchenzahl von weniger als 50 pro ml verwendet.
Abbildung 2 zeigt die Ergebnisse der Partikelanalyse. In einer Figur ist die Anzahl der Partikel im Verhältnis der Anzahl der Partikel nach 5 Sekunden gegen die Partikelgrösse aufgetragen. Die Figur zeigt deutlich, dass die Anzahl der grösseren Partikel mit Zeitspanne nach der Homogenisierung steigt. Da die Anzahl der kleineren Partikel in derselben Zeit entsprechend abnimmt, ist es offensichtlich, dass die kleinen Partikel mit der Zeit zu grösseren Partikeln agglomerieren.
Beispiele 6-9
In der Zylinder-DMF wurden Membranen mit verschiedenen Porengrössen und unterschiedlichem Bakterienrückhalte-Vermögen getestet, um die erreichbare Grössenordnung des gleichmässigen Filtratflusses der Milch zu bestimmen. Das allgemein in den Beispielen 6-9 angewendete Verfahren ist unten angegeben.
1. Das gewünschte Membranfilterelement wurde in die Zylinder-DMF eingebaut.
2. Ein wie im Verfahren F beschriebener Test auf Unversehrtheit wurde durchgeführt und das Membranfilterelement verworfen, falls es den Test nicht bestand.
3. Das Gerät wurde gemäss Verfahren E desinfiziert.
4. Die zu filtrierende Milch wurde nach dem im Verfahren A ausgeführten Verfahren vorgewärmt.
5. Die Milch wurde gemäss Verfahren B homogenisiert.
6. Das im Verfahren G2 angegebene Verfahren zum Inbetriebsetzen wurde durchgeführt.
7.
Die Milch wurde mit der gewünschten Fliessgeschwindigkeit vom Zwischenbehälter in die Zylinder-DMF überführt.
8. Die Betriebsparameter wurden unter Verwendung der Richtlinien aus Verfahren G1 festgelegt.
9. Geeignete Messungen wurden durchgeführt.
Typischerweise wurde die Zylinder-DMF bei 5000 Upm betrieben, entsprechend einer Schergeschwindigkeit von etwa 10 000 sec<-><1> im Filter. Die Temperatur des Aufgabeguts betrug 50 DEG C und der Aufgabedruck variierte von 1,3 x 10<5>-2,0 x 10<5> Pa (1,3-2,0 bar). Das Verhältnis von Filtrat zu Aufgabegut wurde für jedes dieser Beispiele bei über 95% gehalten. Der in Tabelle 2 wiedergegebene Fluss ist der typischerweise 15 Minuten nach dem Beginn der Filtration erhaltene Gleichgewichts-Filtratfluss. Die Gesamtdauer des Experiments unterschied sich in jedem Fall, da das filtrierte Volumen Milch konstant 30 Liter betrug.
Beispiel 6
Für dieses Beispiel wurde eine 0,2 micron Ultipor N66< TM > Membran verwendet. Die Aufgabegutgeschwindigkeit lag bei 250 ml/min, um einen Gleichgewichtsfluss des Filtrats von 330 l/h/m<2> zu erhalten. Die Filtration wurde ohne offensichtliche Abnahme der Filtratflussgeschwindigkeit etwa 130 min durchgeführt, bis die Milch im Behandlungsgefäss verarbeitet war.
Beispiel 7
Für dieses Beispiel wurde eine 0,30 micron Ultipor N66< TM > Membran verwendet. Die Aufgabegutgeschwindigkeit lag bei 550 ml/min, um einen Gleichgewichtsfluss des Filtrats von 775 l/h/m<2> zu erhalten. Das Experiment wurde nach 60 min beendet.
Beispiel 8
Für dieses Beispiel wurde eine 0,45 micron Ultipor N66< TM > Membran verwendet. Die Aufgabegutgeschwindigkeit lag bei 740 ml/min, um einen Gleichgewichtsfluss des Filtrats von 1080 l/h/m<2> zu erhalten. Die Filtration wurde bis zum Ende des Milchvorrats etwa 40 min ohne merkliche Abnahme der Flussgeschwindigkeit durchgeführt.
Beispiel 9
In diesem Beispiel wurde eine 0,65 micron Ultipor N66< TM > Membran eingesetzt. Die Zuführgeschwindigkeit lag bei 110 ml/min und es wurde ein Gleichgewichtsfluss des Filtrats von 1680 l/h/m<2> erhalten. Die Filtration wurde über 30 min bis zur Erschöpfung des Milchvorrats durchgeführt.
Die Beispiele 6-9 sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Die Daten zeigen, dass bei Anwendung des erfindungsgemässen Filtrationsverfahrens und Verwendung verschiedener Bakterien-Rückhalte-Membranstufen ein stabiler Filtratfluss erhalten werden kann. Die Tabelle zeigt, dass beim erfindungsgemässen Verfahren Membranen mit kleineren Poren und demzufolge verbesserter Bakterienretention auf Kosten der Filtratflussgeschwindigkeiten eingesetzt werden können.
<tb><TABLE> Columns=10 Tabelle 2:
Milchfluss beim Einsatz unterschiedlicher Membranen in zylindrischer DMF
<tb>Head Col 1: Bei-
spiel Nr.
<tb>Head Col 2: Fluid
<tb>Head Col 3: Mem-
bran
<tb>Head Col 4: Poren-
grösse (micron)
<tb>Head Col 5: Upm
<tb>Head Col 6: Aufgabe-
guttempe-
ratur ( DEG C)
<tb>Head Col 7: Aufgabe-
druck
(x 10<5> Pa)
<tb>Head Col 8: Verhältnis Filtrat/Aufgabegut
<tb>Head Col 9:
Versuchs-
dauer (min.)
<tb>Head Col 10: Fluss
(l/h/m<2>)
<tb><SEP>6<SEP>entrahmte Milch<SEP>Ultipor N66< TM ><SEP>0,20<SEP>5000<SEP>50<CEL AL=L>2,0<SEP>0,97<SEP>130<SEP>330
<tb><SEP>7<SEP>entrahmte Milch<SEP>Ultipor
N66< TM > <SEP>0,30<SEP>5000<SEP>50<SEP>1,6<SEP>0,97<SEP>60<SEP>775
<tb><SEP>8<CEL AL=L>entrahmte Milch<SEP>Ultipor
N66< TM ><SEP>0,45<SEP>5000<SEP>50<SEP>1,5<SEP>0,97<SEP>40<SEP>1080
<tb><SEP>9<CEL AL=L>entrahmte Milch<SEP>Ultipor
N66< TM ><SEP>0,65<SEP>5000<SEP>50<SEP>1,3<SEP>0,97<SEP>30<SEP>1680
<tb></TABLE>
Beispiel 10
In diesem Beispiel wurde eine 0,2 micron Posidyne< TM > Membran mit positiver Oberflächenladung eingesetzt. Die Porenoberflächen der verwendeten Membran sind mit quaternären Ammoniumgruppen belegt und diese besitzt eine hohes Absorptionsvermögen für biologisches Material.
Die Aufgabegutgeschwindigkeit lag bei 260 ml/min, um einen Gleichgewichtsfluss des Filtrats von 360 l/h/m<2> zu erhalten. Der Filtratfluss lag in der gleichen Grössenordnung, wie er mit ungeladenen Membranen (beschrieben in Beispiel 6) erhalten wurde. Die Filtration wurde über etwa 120 min bis zur Erschöpfung des Milchvorrats im Behandlungsbehälter durchgeführt, ohne merkliche Abnahme der Filtratflussgeschwindigkeit. Während des Experiments wurde ein Filtrat zu Aufgabegut-Verhältnis von über 97% aufrechterhalten. Andere experimentelle Bedingungen sind in Tabelle 3 angegeben.
Es war zu erwarten, dass ein grosser Teil der Proteine aus der Milch an die Membranoberfläche binden und sie schliesslich zusetzen würde. Dieses Beispiel zeigt, dass sich bei dynamischem Betrieb selbst eine Membran, die normalerweise Proteine bindet, gut verhält.
Beispiel 11
Vollmilch wurde mit einer Zuführgeschwindigkeit von 740 ml/min aufgegeben und ein stabiler Filtratfluss von 1130 l/h/m<2> erhalten. Weitere experimentelle Bedingungen sind in Tabelle 3 wiedergegeben. Die Filtration wurde etwa 40 Minuten bis zur Erschöpfung des Milchvorrats durchgeführt. Das Beispiel zeigt, dass Vollmilch unter Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens filtriert werden kann. Die zwischen Vollmilch und entrahmter Milch (wie in Beispiel 9) beobachteten Unterschiede im Filtratfluss scheinen hauptsächlich auf deren Viskositätsunterschiede zurückzuführen zu sein.
Das Verhältnis des für Vollmilch zu entrahmter Milch erzielten Filtratflusses ist annähernd gleich dem Verhältnis der Viskositäten von Vollmilch zu entrahmter Milch.
<tb><TABLE> Columns=10 Tabelle 3
<tb>Head Col 1: Beispiel Nr.
<tb>Head Col 2: Fluid
<tb>Head Col 3: Mem-
bran
<tb>Head Col 4: Poren-
grösse (micron)
<tb>Head Col 5: Upm
<tb>Head Col 6: Aufgabe-
guttempe-
ratur ( DEG C)
<tb>Head Col 7: Aufgabe-
druck
(x 10<5> Pa)
<tb>Head Col 8: Verhältnis Filtrat/Auf-
gabegut
<tb>Head Col 9: Versuchs-
dauer (min.)
<tb>Head Col 10: Fluss
(l/h/m<2>)
<tb><SEP>10<SEP>entrahmte Milch<SEP>Posi-
dyne< TM ><SEP>0,20<SEP>5000<SEP>50<SEP>2,0<SEP>0,97<SEP>120<SEP>360
<tb><SEP>11<CEL AL=L>Vollmilch<SEP>Ultipor N66< TM ><SEP>0,65<SEP>5000<SEP>50<SEP>1,4<SEP>0,93<SEP>40<CEL AL=L>1130
<tb></TABLE>
Beispiele 12-16
Die Beispiele zur Bestimmung des Filtratflusses durch verschiedene Bakterien-Rückhalte-Membranen wurden unter Verwendung des scheibenförmigen dynamischen Mikrofilters wiederholt. Die allgemeinen Verfahren für die Beispiele 12-16 werden unten beschrieben. Die allgemein beschriebenen Bedingungen gelten für jedes Beispiel, soweit nicht anderweitig ausdrücklich angegeben.
1. Das gewünschte Membranfilterelement wurde in die Scheiben-DMF eingebaut.
2. Wie im Verfahren F beschrieben, wurde ein Test auf Unversehrtheit durchgeführt. Das Membranfilterelement wurde, wenn es den Test nicht bestand, herausgenommen.
3. Die Geräteteile wurden gemäss Verfahren E desinfiziert.
4. Die zu filternde Milch wurde mit dem im Verfahren A beschriebenen Verfahren vorgewärmt.
5. Die Milch wurde gemäss Verfahren B homogenisiert.
6.
Das allgemeine Verfahren zum Inbetriebsetzen wurde, wie im Verfahren G2 beschrieben, durchgeführt.
7. Die Milch wurde mit einer vorbestimmten Flussgeschwindigkeit vom Behälter zur Scheiben-DMF überführt.
8. Geeignete Messungen wurden vorgenommen.
Typischerweise wurde eine Rotationsgeschwindigkeit von 3500 Upm eingehalten, was einer Schergeschwindigkeit von etwa 200 000 sec<-><1> entspricht. Das Aufgabegut hatte eine Temperatur von 50 DEG C und der Aufgabedruck betrug etwa 0,2 x 10<5> Pa (0,2 bar). Die Milch wurde, um eine hohe Querstromgeschwindigkeit über die Membran aufrechtzuerhalten, mit einer Geschwindigkeit von 960 ml/min in den Filter gepumpt. Das Verhältnis Filtrat zu Aufgabegut wurde speziell auf die Porengrösse der Membran, die Aufgabeguttemperatur und die Rotorumdrehungen (Upm) abgestimmt. Der nicht gefilterte Teil des Aufgabeguts wurde in den Prozessbehälter rückgeführt. Der in der folgenden Tabelle wiedergegebene Fluss ist der im Gleichgewichtszustand erhaltene Fluss des Filtrats durch die Membran, der normalerweise eine halbe Stunde nach Beginn der Filtration erreicht wurde.
Beispiel 12
Für dieses Beispiel wurde eine 0,2 micron Ultipor N66< TM > Membran verwendet. Der Gleichgewichts-Filtratfluss lag bei 850 l/h/m<2>.
Beispiel 13
Für dieses Beispiel wurde eine 0,45 micron Ultipor N66< TM > Membran verwendet. Der Gleichgewichts-Filtratfluss lag bei 1600 l/h/m<2>.
Beispiel 14
Für dieses Beispiel wurde eine 0,45 micron Posidyne< TM > Membran verwendet. Ein Gleichgewichts-Filtratfluss von 1600 l/h/m<2> wurde erhalten.
Die in Tabelle 4 wiedergegebenen Daten fassen die Beispiele 11-13 zusammen. Die Daten zeigen, dass bei Anwendung des erfindungsgemässen Filtrationsverfahrens unter Verwendung verschiedener Stufen von Bakterien-Rückhalte-Membranen in Scheiben-DMF ein stabiler Filtratfluss erhalten werden kann. Die Tabelle zeigt, dass Membranen mit kleineren Poren und daher höherem Bakterienrückhaltvermögen (Titerverminderung) auf Kosten der Filtratfliessgeschwindigkeit erfindungsgemäss verwendet werden können.
<tb><TABLE> Columns=10 Tabelle 4
<tb>Head Col 1: Bei-
spiel Nr.
<tb>Head Col 2: Fluid
<tb>Head Col 3: Membran
<tb>Head Col 4: Poren-
grösse (micron)
<tb>Head Col 5: Upm
<tb>Head Col 6: Aufgabe-
guttempe-
ratur ( DEG C)
<tb>Head Col 7: Aufgabe-
druck
(x 10<5> Pa)
<tb>Head Col 8: Verhältnis Filtrat/Aufgabegut
<tb>Head Col 9: Versuchs-
dauer
(min)
<tb>Head Col 10:
Fluss
(l/h/m<2>)
<tb><SEP>12<SEP>entrahmte Milch<SEP>Ultipor
N66< TM ><SEP>0,20<SEP>3500<SEP>50<SEP>0,2<SEP>0,22<SEP>137<SEP>850
<tb><SEP>13<CEL AL=L>entrahmte Milch<SEP>Ultipor
N66< TM ><SEP>0,45<SEP>3500<SEP>50<SEP>0,2<SEP>0,37<SEP>80<SEP>1600
<tb><SEP>14<CEL AL=L>entrahmte Milch<SEP>Posidyne< TM ><SEP>0,45<SEP>3500<SEP>50<SEP>0,2<SEP>0,37<SEP>80<CEL AL=L>1600
<tb></TABLE>
Beispiel 15
Entrahmte Milch mit einer Temperatur von 18 DEG C wird gemäss Verfahren B homogenisiert und in eine mit einer 0,45 micron Ultipor N66< TM > Membran ausgestattete Scheiben-DMF gepumpt. Die Filtration wurde bei einer Aufgabegutgeschwindigkeit von 860 ml/min und einem Gleichgewichtsfiltratfluss von 860 l/h/m<2> durchgeführt. Die filtrierte Milch wurde bei 25 DEG C gemessen. Andere Bedingungen dieses Beispiels sind in Tabelle 5 wiedergegeben.
Das Beispiel zeigt, dass gekühlte, entrahmte Milch von etwa 18 DEG C mit dem erfindungsgemässen Verfahren durch eine Bakterienrückhalte-Membran verarbeitet werden kann. Der bei dieser niedrigen Temperatur verminderte Filtratfluss ist wahrscheinlich auf die bei dieser Temperatur gegenüber höheren Temperaturen höhere Viskosität der Milch zurückzuführen.
Beispiel 16
Eine Scheiben-DMF wurde mit einer 0,45 micron Ultipor N66< TM > Membran ausgestattet. Vollmilch wurde mit einer Geschwindigkeit von 900 ml/min in die Scheiben-DMF gegeben und es wurde ein Gleichgewichtsfiltratfluss durch die Membran von 850 l/h/m<2> erreicht. Das Experiment wurde ohne Rückführung des nicht filtrierten Teils des Aufgabegutstroms durchgeführt.
Das Beispiel zeigt, dass Vollmilch bei Einsatz einer Scheiben-DMF mit dem erfindungsgemässen Verfahren filtriert werden kann. Entrahmte Milch ergibt bei im wesentlichen gleichen Bedingungen einen Gleichgewichtsfiltratfluss von etwa 1600 l/h/m<2>. Die zwischen Vollmilch und entrahmter Milch beobachteten Unterschiede im Filtratfluss entsprechen annähernd dem Verhältnis der unterschiedlichen Viskositäten der Flüssigkeiten.
Beispiel 17
Unter Verwendung der obenbeschriebenen Verfahren wurde ein Filtrationsexperiment mit der Scheiben-DMF durchgeführt, bei dem ein hohes Filtrat-zu-Aufgabegut-Verhältnis eingehalten wurde. Die Aufgabe der entrahmten Milch erfolgte mit 115 ml/min und einer Rotationsgeschwindigkeit von 2100 Upm. Es wurde ein Filtratfluss von 460 l/h/m<2> erhalten.
<tb><TABLE> Columns=10 Tabelle 5
<tb>Head Col 1: Bei-
spiel Nr.
<tb>Head Col 2: Fluid
<tb>Head Col 3: Mem-
bran
<tb>Head Col 4: Poren-
grösse (micron)
<tb>Head Col 5: Upm
<tb>Head Col 6: Aufgabe-guttempe-
ratur ( DEG C)
<tb>Head Col 7: Aufgabe-
druck
(x 10<5> Pa)
<tb>Head Col 8: Verhältnis Filtrat/Auf-
gabegut
<tb>Head Col 9: Versuchs-
dauer
(min)
<tb>Head Col 10:
Fluss
(l/h/m<2>)
<tb><SEP>15<SEP>entrahmte Milch<SEP>Ultipor N66< TM ><SEP>0,45<SEP>3500<SEP>18<CEL AL=L>0,2<SEP>0,23<SEP>130<SEP>860
<tb><SEP>16<SEP>Vollmilch<SEP>Ultipor N66< TM ><CEL AL=L>0,45<SEP>3500<SEP>50<SEP>0,2<SEP>0,23<SEP>90<SEP>850
<tb><SEP>17<SEP>entrahmte Milch<SEP>Ultipor N66< TM ><SEP>0,45<SEP>2100<SEP>50<SEP>0,5<SEP>0,92<SEP>50<SEP>460
<tb></TABLE>
Beispiel 18
Zur Demonstration des Langzeitverhaltens wurde ein Experiment mit einer grossen Menge (500 l) roher, unpasteurisierter, entrahmter Milch durchgeführt. Die Milch wurde durch einen Platten-Wärmetauscher auf 50 DEG C vorgewärmt. Sie wurde dann gemäss Verfahren B homogenisiert und in die mit einer 0,65 micron Membran ausgestattete Zylinder-DMF gepumpt. Typischerweise wurde der dynamische Mikrofilter bei diesem Beispiel mit 5000 Upm betrieben. Der Aufgabedruck schwankte zwischen 1,3 x 10<5> und 1,5 x 10<5> Pa (1,3 und 1,5 bar) bei einer Aufgabegutgeschwindigkeit von etwa 1300 ml/min. Das Verhältnis Filtrat zu Aufgabegut wurde bei über 95% gehalten. Es wurde ein Gleichgewichtsfiltratfluss von etwa 1680 l/h/m<2> erhalten.
Während der sechs Stunden kontinuierlichen Betriebs, die zur Behandlung der 500 l notwendig waren, wurde weder eine Abnahme des Flusses der filtrierten Milch noch irgendeine Zunahme des Aufgabedrucks beobachtet.
Das Beispiel zeigt, dass es möglich ist, das erfindungsgemässe Filtrationsverfahren über längere Zeit anzuwenden.
Beispiel 19
Das Beispiel zeigt die Fähigkeiten des erfindungsgemässen Verfahrens zur Proteingewinnung aus Milch. Proteine in der Milch liegen im allgemeinen in einem Grössenbereich von etwa 0,02 bis etwa 0,3 micron (D.G. Schmidt, P. Walstra und W. Buchheim, Neth. Milk Dairy J. 27 (1973):128), wodurch es möglich ist, sie mittels des erfindungsgemässen Verfahrens zu gewinnen.
Dies ist besonders für die Gewinnung biologisch bedeutsamer Proteine von transgenen Tieren, wie z.B. transgenen Kühen, Schafen und ähnlichen, wichtig, die unter Verwendung an sich bekannter Techniken genetisch verändert wurden, um die Produktion solcher Proteine anzuregen.
Es wurde eine mit einem 0,2 micron Nylon-Filter ausgestattete Scheiben-DMF verwendet. Die Filtration der Milch wurde bei einer Aufgabegeschwindigkeit von 840 ml/min, bei der ein Gleichgewichtsdurchfluss durch die Membran von etwa 850 l/h/m<2> erreicht wurde, und einer Rotorgeschwindigkeit von 3500 Upm durchgeführt. Das Retentat wurde bei diesem Verfahren rückgeführt, während das Filtrat verworfen wurde. Von dem Aufgabegut, dem Retentat und dem Filtrat wurden in regelmässigen Abständen Proben genommen, die dann mit dem Kjeldahl-Verfahren auf ihren Gesamtproteingehalt untersucht wurden. Dies ergab, dass der Proteingehalt des Retentats am Anfang dem des Aufgabeguts entsprach, aber mit der Dauer der Rezirkulation des zurückgehaltenen Materials anstieg (4,9% Retentat, 3,1% Aufgabegut).
Der Einsatz von Membranen mit kleinerer Porengrösse sollte eine noch bessere Proteinkonzentrierung im Konzentratstrom ergeben.
Beispiele 20 und 21
Die Beispiele wurden zum Nachweis dessen, dass während des erfindungsgemässen Filtrationsverfahrens keine Fraktionierung der Milchkomponenten stattfindet, durchgeführt. In diesen Beispielen wurden Proben des Aufgabeguts, des Filtrats und des Konzentrats zu verschiedenen Zeiten während der Filtration untersucht, um die Proteinkonzentration mit dem Kjeldahl Verfahren und die Gesamtfeststoffe durch Eindampfen festzustellen.
Beispiel 20
Aufgabegut-, Filtrat- und Konzentratproben wurden zu verschiedenen Zeiten während des in Beispiel 18 beschriebenen Versuchs genommen und auf ihren Gesamtfeststoffgehalt untersucht. Die Daten in Tabelle 6 zeigen bei Verwendung einer 0,45 micron Membran keinen auffälligen Verlust an Gesamtfeststoffen im Filtrat.
Beispiel 21
Aufgabegut-, Filtrat- und Konzentratproben wurden zu verschiedenen Zeiten während der Durchführung des Beispiels 13 genommen und auf ihren Gesamtfeststoff- und Proteingehalt in jedem Strom untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 wiedergegeben. Wiederum zeigte die filtrierte Milch bei Verwendung einer 0,45 micron Membran keinen signifikanten Verlust an Feststoffen oder Proteinen.
<tb><TABLE> Columns=8 Tabelle 6
<tb>Head Col 1: Filtrations-
methode
<tb>Head Col 2: Membranpo-
rengrösse
(micron)
<tb>Head Col 3 to 5 AL=L: Proteine %
<tb>Head Col 6 to 8 AL=L: Gesamtfeststoffe %
<tb>Head Col 3 AL=L: Filtrat
<tb>Head Col 3: Aufgabe-
gut
<tb>Head Col 4: Konzen-
trat
<tb>Head Col 5: Filtrat
<tb>Head Col 6: Aufgabe-
gut
<tb>Head Col 7:
Konzen-
trat
<tb><SEP>Zylinder
Beispiel 20<SEP>0,65<SEP>-<SEP>-<SEP>-<SEP>9,14<SEP>9,17<SEP>9,35
<tb><SEP>Scheibe
Beispiel 21<SEP>0,45<SEP>3,38<SEP>3,15<SEP>3,35<SEP>8,64<SEP>8,70<SEP>8,85
<tb></TABLE>
Beispiele 22-28
Die Experimente 22-28 wurden durchgeführt, um die Fähigkeit dieser Erfindung, Bakterien zu entfernen, zu zeigen. Das allgemeine Betriebsverfahren war dasselbe wie das in den Beispielen 6 bis 18 angewendete, ausser dass Bakterien gemäss Verfahren C dem Behandlungsstrom zugegeben wurden. Wenn nicht anders angegeben, wurden E.coli Bakterien, die häufig in Milch gefunden werden, in diesen Experimenten zum Beimpfen verwendet.
Proben des Aufgabeguts, des Filtrats und des Bakterienkonzentrats wurden unter sterilen Bedingungen zu verschiedenen Zeiten während der Filtration gezogen. Die Proben wurden mit dem im Verfahren D ausgeführten Verfahren auf Bakterien untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 7 wiedergegeben.
Wie aus der Tabelle hervorgeht, ist es erfindungsgemäss möglich, eine deutliche Verminderung des Bakteriengehalts von Milch zu erzielen. Die hohe Entfernungsrate von E.coli kann direkt auf eine hohe Entfernungsrate von Bacillus cereus übertragen werden, ein Bakterium, das mit konventioneller Pasteurisation nicht völlig entfernt werden kann. E.coli ist bekanntlich stäbchenförmig, mit einer Grösse von etwa 1,1 bis 1,5 mu m auf etwa 2 bis 6 mu m. Bacillus Bakterien wie Bacillus cereus haben auch Stabform und eine ähnliche Grösse von etwa 1,0 bis 1,2 mu m auf 3 bis 5 mu m. Daher bedeutet die Fähigkeit, E.coli zu entfernen, wie in Tabelle 7 gezeigt, dass das Verfahren es auch ermöglicht, das ausgesprochen unerwünschte Bakterium Bacillus cereus zu entfernen. Dies führt zu einer Milch mit einer, selbst bei Raumtemperatur, sehr langen Haltbarkeit.
Beispiele 22, 23, 24
Die Beispiele 6, 8 und 9 wurden mit der Änderung wiederholt, dass E.coli gemäss Verfahren C in den Behandlungsstrom gegeben wurde. Für bakterielle Untersuchungen wurden Proben des Aufgabeguts, des Filtrats und des Konzentrats gezogen. Die Titerverminderungsdaten sind in Tabelle 7 angegeben.
Beispiel 25
Das Beispiel 13 wurde mit der Änderung wiederholt, dass Bakterien gemäss Verfahren C in den Aufgabegutstrom gegeben wurden und das Bakterienkonzentrat nicht in das Behandlungsgefäss rückgeführt wurde. Es wurde ein Gleichgewichtsmilchfluss von etwa 1600 l/h/m<2> erhalten. Die mikrobiologischen Ergebnisse sind in Tabelle 7 wiedergegeben.
Die filtrierte Milch enthielt nur einen sehr geringen Gehalt von etwa 7 bis 10 Bakterien pro ml Milch, also deutlich geringer als der Bakteriengehalt des Aufgabeguts von 10<6> pro ml. In diesem Fall war die Titerreduktion grösser als 10<5>. Zum Vergleich: während konventioneller Pasteurisierung von Milch werden Titerverminderungen von nur 10<2> bis 10<3> erreicht.
Beispiel 26
In diesem Experiment wurden die experimentellen Bedingungen und Verfahren des Beispiels 12 mit der Änderung wiederholt, dass gemäss Verfahren C E.coli in den Aufgabegutstrom gegeben wird und das Konzentrat nicht in das Behandlungsgefäss rückgeführt wird. Es wurde ein Gleichgewichtsmilchstrom von etwa 850 l/h/m<2> erreicht. Für bakterielle Untersuchungen wurden Proben des Aufgabeguts, des Filtrats und des Konzentrats genommen. Die Ergebnisse in Tabelle 7 zeigen eine Titerverminderung von mehr als 10<6>. Die sterile Milch wurde so lange behandelt, bis keine Bakterien mehr in der filtrierten Milch nachweisbar waren.
Dieses Beispiel zeigt die Fähigkeit des erfindungsgemässen Verfahrens, die Bakterien unter Verwendung einer Scheiben-DMF und einer geeignet ausgewählten Membran fast vollständig aus der Milch zu entfernen. Damit kann also sterile Milch hergestellt werden.
Beispiel 27
Unpasteurisierte Rohmilch enthält ein weites Spektrum von Organismen, einschliesslich coliformen, wie E.coli, Pathogenen wie Listerien und Campylobakterien und Bacillus cereus Bakterien. In diesem Beispiel wurde die Rohmilch nicht mit externen Bakterien beimpft, sondern die Milch auf ihre eigenen bzw. "natürlichen" Bakterien untersucht.
Für bakterielle Untersuchungen wurden während der Durchführung des Beispiels 18 Proben des Aufgabeguts, des Filtrats und des Konzentrats genommen und gemäss Verfahren D auf natürlich vorkommende Bakterien untersucht.
Es wurden nur 14 Bakterien pro ml Milch gefunden. Das Aufgabegut enthielt 2500 Bakterien pro ml und das Konzentrat 2 x 10<4> Bakterien pro ml. Ausserdem konnten keine psychrophilen Bakterien im Filtrat nachgewiesen werden. Psychrophile Bakterien sind solche, die bei niedrigen Temperaturen wachsen und das Verderben gekühlter Milch verursachen.
Tabelle 7 fasst die Experimente 22 bis 27 zusammen. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl bei der Zylinder- als auch bei der Scheiben-Betriebsart erhöhte Titerverminderungen auf Kosten des Filtratflusses erreicht werden. Die Tabelle zeigt auch, dass es bei der richtigen Wahl des Filters möglich ist, ein steriles Milchfiltrat zu erhalten.
<tb><TABLE> Columns=9 Tabelle 7
<tb>Head Col 1: Bei-
spiel Nr.
<tb>Head Col 2: Poren-
grösse
(micron)
<tb>Head Col 3: Mem-
brantyp
<tb>Head Col 4: Durch-
schnitts-
fluss
(l/h/m<2>)
<tb>Head Col 5: Aufgabe-
guttem-
peratur
( DEG C)
<tb>Head Col 6: Betriebs-
druck
(x 10<5> Pa)
<tb>Head Col 7: Aufgabe-
gutkonzen-
tration
(Bakt./ml)
<tb>Head Col 8: % Bakte-
rienentfer-
nung
<tb>Head Col 9:
Titerver-
minderung TR
<tb><SEP>22<SEP>0,2 Zylinder<SEP>Ultipor N66< TM ><SEP>330<SEP>50<CEL AL=L>2,0<SEP>10<6> (E.coli)<SEP>99,9992%<SEP>10<5>
<tb><SEP>23<SEP>0,45 Zylinder<SEP>Ultipor N66< TM ><SEP>1080<SEP>50<SEP>1,5<SEP>10<6> (E.coli)<SEP>99,992%<SEP>4 x 10<5>
<tb><SEP>24<CEL AL=L>0,65 Zylinder<SEP>Ultipor N66< TM ><SEP>1680<SEP>50<SEP>1,3<SEP>10<6> (E.coli)<SEP>99,96%<CEL AL=L>4 x 10<2>
<tb><SEP>25<SEP>0,45 Scheibe<SEP>Ultipor N66< TM ><SEP>1600<SEP>50<SEP>0,2<CEL AL=L>10<6> (E.coli)<SEP>99,9995%<SEP>8 x 10<5>
<tb><SEP>26<SEP>0,2 Scheibe<SEP>Ultipor N66< TM ><CEL AL=L>850<SEP>50<SEP>0,2<SEP>10<6> (E.coli)<SEP>100,00% (SEP)<> 10<6>
<tb><SEP>27<SEP>0,65 Zylinder<SEP>Ultipor N66< TM ><SEP>1680<SEP>50<SEP>1,3<SEP>10<3> (unbe-
handelt)<SEP>99,44%<SEP>2 x 10<2>
<tb></TABLE>
Beispiel 28
Neben den für die Titerverminderungsexperimente eingesetzten Bakterien (E.coli) gibt es pathogene Organismen (wie Listerien) in Milch, die der Milchindustrie wirklich Sorgen bereiten. Diese Pathogene sind eine viel schwierigere Herausforderung als die coliformen Bakterien (E.coli), die auch im dynamischen Filter getestet wurden. Um zu sehen, ob die verwendeten Membranfilterelemente in der Lage sind, Pathogene wie Listerien wirksam zu entfernen, wurden Versuche mit den im Verfahren D beschriebenen Verfahren durchgeführt. Dieser Versuch wurde an einer ausserhalb der Anlage befindlichen Testanlage (off-line test rig) gefahren und nicht mit einem dynamischen Filter.
Die in Tabelle 8 wiedergebenen Daten zeigen deutlich, dass eine 0,45 mu m Ultipor N66< TM > Membran mit einem spezifischen Blasenbildungspunkt (ASTM F316-86) eine völlige Entfernung der Listerien ermöglicht.
<tb><TABLE> Columns=5 Tabelle 8
<tb>Head Col 1: Membran
<tb>Head Col 2: Blasenbildungspunkt
<tb>Head Col 3: Gesamtzugabe an
Listeriabakterien/ml
<tb>Head Col 4: Filtrat
Bakt./ml
<tb>Head Col 5: Titervermin-
derung TR
<tb><SEP>0,45 mu m, Ultipor N66< TM ><SEP>24 psi<SEP>7,10 x 10<7><SEP>0 (SEP)<> 5 x 10<6>
<tb><SEP>0,45 mu m, Ultipor N66< TM ><SEP>22 psi<SEP>6,6 x 10<7><SEP>1<SEP>4,7 x 10<6>
<tb><CEL AL=L>0,65 mu m, Ultipor N66< TM ><SEP>16,5 psi<SEP>7,10 x 10<7><SEP>7,5 x 10<3><SEP>6,8 x 10<2>
<tb></TABLE>
Beispiel 29
Mit dem Verfahren nach Beispiel 16 hergestellte, filtrierte, entrahmte Milch wird in einem desinfizierten Behälter gesammelt.
Handelsübliche Sahne wird auf 65 DEG C erwärmt und durch eine 0,2 micron Ultipor N66< TM > Filterpatrone (zu beziehen bei Pall Corporation, East Hills, NY) mit einer Mindest-Titerverminderung von 10<6>, erzielt mit E.coli, gefiltert. Die filtrierte Sahne ist im wesentlichen bakterienfrei und wird in einem desinfizierten Behälter gesammelt.
Die filtrierte, entrahmte Milch und die filtrierte Sahne werden dann gemischt und homogenisiert, um eine 2% Fett enthaltende Milch mit verringertem Bakteriengehalt zu erhalten.
The invention relates to a method for the treatment of raw milk for the production of treated milk with a lower bacterial content than the raw milk, as is also the subject of US patent application serial no. 07/901 238 with the filing date June 19, 1992.
The invention thus relates to a method for producing milk, whole milk or skimmed milk, the process product and a method for distributing the milk to customers.
The known pasteurization process has been used for decades to kill bacteria in milk. Unfortunately, the high temperatures required for pasteurization negatively affect the taste of the milk. In addition, the pasteurization process does not eliminate all undesirable bacteria even at these high temperatures and leads to the short shelf life of most milk products.
Bacillus cereus is usually the predominant bacterium in conventionally sterilized milk of older age because it survives the pasteurization process and thrives at low temperatures, which promotes the deterioration of the milk. In general, there is a need for a method that can reduce the bacterial content in both whole and skimmed milk to increase the shelf life of the product and improve its taste by avoiding the pasteurization process.
It is also of great economic importance to eliminate the very costly and labor-intensive distribution process that is currently required to transport the milk to the customer. currently After the raw milk has been sterilized by homogenization and other steps, each dairy must fill the milk in containers for distribution to the customers and transport this milk chilled. For every dairy, this means that they have to purchase and maintain a large park of refrigerated vehicles in order to transport the milk to the customer's place. By providing a sterile or almost sterile milk product, it would be possible to avoid transporting the milk under cooling conditions. Unfortunately, the pasteurization process only delivers milk with a reduced bacterial content, but not a sterile product.
In addition, if a sterile milk product could be manufactured, it would no longer be necessary to store the milk in a refrigerated location. The avoidance of large cooling compartments, e.g. to be found in the typical grocery stores would also be of great economic advantage.
Even with today's pasteurization process, it is very important in some cases to reduce the bacterial content of the milk before pasteurization, especially if a certain amount of raw milk is contaminated so that mere pasteurization would not lead to a shelf life that is reasonable according to today's standards .
For some applications it is also valuable to be able to deliver treated milk in which the bacterial content is largely reduced, e.g. to a hundredth of the initial value. It is particularly important for the production of cheese to supply milk with a relatively low bacterial content, since incorrect bacterial cultures can destroy the cheese. Simple heat treatment of the milk to a sufficient degree is normally not suitable for cheese production because such heat treatment leads to a lower yield of cheese and can negatively affect the coagulation time.
Conventionally, additives are used to reduce this problem. Sometimes, however, it is desirable to avoid using these additives.
Various methods are known for producing milk with a reduced bacterial count using filtrations, but none of them have been widely accepted. The prior art processes generally either have low flow rates, making the process largely uneconomical, or damage the quality of the milk, making the product unacceptable to the customer.
Conventional filters have tried to produce milk with a reduced bacterial content. Swedish patent application no. 380 422 discloses a process in which whole milk is divided into filtrate and concentrate fractions by microfiltration. The filtrate that passes through the pores of the filter (the pore size of the filter can be between 0.1 micron - 10 micron) consists of milk with a significantly reduced fat content. The concentrate, i.e. the fraction that was retained by the surface of the filter consists of cream, since not only bacteria, but also fat balls are retained to a high degree by the filter.
Swedish Patent Application No. SE-A 6 715 081 discloses a method for sterilizing milk, in which the fat is first separated from the skimmed milk. The fat fraction is then heat sterilized. The skimmed milk fraction is sterilized by removing the bacteria by filtration (the pore size of the filter is not specified). Finally, the fat and skimmed milk fractions are mixed again to obtain a sterile milk product. In order to sterilize the skimmed milk fractions by filtering the bacteria, the pore size of the filter must be so small that the filter does not let bacteria through. This in turn results in low transmission rates and the undesirable retention of fat globules and proteins from milk.
U.S. Patent No. 5,064,674 relates to a method of producing hypoallergenic milk by ultrafiltration using membranes that are permeable to molecules with a molecular weight of 5 kDa and less. The components excluded by the membrane include milk proteins, viable or non-viable bacteria, bacterial protein antigens and milk fat. The filtrate collected in the ultrafiltration process is therefore not only free from bacteria and bacterial protein antigens, but also from fat and milk proteins, which makes the product unusable as milk per se.
Obviously, the bacterial filters used in the prior art to sterilize milk not only remove bacteria, but also fat globules and at least some proteins. Such a filter is quickly clogged by the retained material so that the flow rate decreases rapidly and the filter often has to be cleaned or replaced. The high cost of such an inefficient process is generally prohibitive. In addition, the quality of the milk is impaired because the filter also retains fat globules and proteins.
From the discussion so far it is evident that there is still a need for an improved milk filtration process which provides a sterile or rather almost sterile product with improved durability and undiminished quality.
So far, some attempts to treat milk have been made using cross-flow or tangential flow filtration devices. Such devices are known.
Various types of filtration devices have been described which enable such tangential or cross-flow filtration. Perhaps the oldest known device of this type is described in Soviet patent application no. 142,626 by Zhevnovatyi, A.I. from 1961. This device is formed by a tube made of porous material which is fastened in a second tube. The suspension to be filtered passes under pressure at high speed through the annular space between the two tubes, the filtrate flowing inside the porous tube. Improved devices of a similar design use two concentric cylinders, the inner of the two cylinders being formed by a microporous membrane and the liquid, which is subjected to a forced helical flow, flowing around this inner cylinder.
Other cross-flow devices include a series of superimposed filter elements in the form of plates or disks with microporous membranes, e.g. are arranged around a filtrate collecting tube, the suspension to be filtered passing in succession in a helical path between the disks.
Many other variations of the cross flow filtration system have been developed. For example, the U.S. Patent No. 5 009 781 on a cross-flow filtration device with a filtrate network that includes a plurality of longitudinal filtrate chambers and one or more filtrate channels that cut these chambers.
The U.S. Patent No. 5 035 799 relates to a cross-flow filtration device with filter blades arranged in parallel in the filter container. The input is done under pressure to create a turbulent cross flow in the medium.
The U.S. Patent No. 5,015,397 relates to a cross-flow filtration device and method which includes a tube of spirally wound profile wire. The contaminated material is placed at one end of the pipe. As it flows through the tube, the contaminants are concentrated in it, while cleaned liquid penetrates the wall of the tube. The U.S. Patent No. 5 047 154 relates to a method and an apparatus for increasing the flow rate of cross-flow filtration systems. The U.S. Patent No. 4,569,759 relates to a tangential filtration device and a plant containing such a device.
Cross flow filtration differs significantly from flow filtration. In cross-flow filtration, the liquid is supplied parallel to the filter surface, and the filtration takes place perpendicular to the direction of flow of the feed material. In general, in cross-flow filtration systems, an accumulation of the filtered out substances on the filtration devices is reduced due to the shear forces of the flow, since the flow of the feed material is tangential to the membrane surface. Crossflow filtration therefore opens up the possibility of working in the so-called "steady state", ie in equilibrium, if the pressure drop causing it is kept constant. Unfortunately, this theoretical possibility could not be achieved in practice. Therefore, conventional cross-flow filtration systems have always suffered from the problem of decreasing filtrate flow.
Most of the suspended solids were retained on the pipe wall and quickly formed a dynamic membrane, also known as a filter cake or sludge layer. This dynamic membrane is largely responsible for the subsequent filtration.
The particles that first penetrate into the wall matrix are ultimately retained in it due to the irregular and tortuous shape of the pore structure. As microfiltration progresses, the penetration of further small particles through the wall matrix through the dynamic membrane is prevented. The formation of the dynamic membrane together with the possible clogging of the pore structure of the tube by the retained particles leads to a decrease in the filtrate flow. In conventional systems, this decrease is approximately exponential to the filtration time.
Cross-flow filtration of milk has been tried, but has not been widely accepted because of the problems just discussed. The U.S. Patent No. 5,028,436 relates to a process for separating into dissolved and undissolved milk components using a microporous membrane with a pore size in the range from 0.1 to 2 microns, which is treated with an aqueous solution or a dispersion or emulsion of lipids or peptides and which is pre-treated Membrane separated milk was pretreated.
In the process disclosed in the patent, a first filtration step is used, in which a microporous membrane is used in the tangential flow process. A clear filtrate and a viscous concentrate are obtained. The filtrate contains all salts, lactose, amino acids, oligopeptides and polypeptides of low molecular weight in native, undenatured form. The concentrate contains practically all of the casein and the fat components of the milk. Therefore, once all the fat substances have been removed from it, the filtrate cannot be considered "milk".
The U.S. Patent No. 4,876,100 relates to a cross-flow filtration process for the production of milk with a reduced bacterial content. Raw milk is separated by centrifugation into a fraction consisting of cream and another containing skimmed milk. The skimmed milk fraction is passed into a microfilter, in which part of the fat globules, proteins and bacteria are separated. A filtrate and a concentrate are obtained from the microfilter. The filtrate consists of skimmed milk with a reduced fat, protein and bacterial content, whereas the concentrate has an increased fat, protein and bacterial content. The concentrate is then sterilized.
In addition to reducing the bacterial content of the filtrate, the filtration method of the '100 patent also reduces the fat and protein content of the filtrate, changing its properties compared to the original skimmed milk.
Obviously, the use of crossflow filtration has not provided an acceptable method to reduce bacterial contamination of milk.
Dynamic microfiltration is one way to overcome the problems associated with classic cross-flow filtration technology. The dynamic microfiltration process overcomes the disadvantage of classic cross-flow technology, since the liquid is not simply passed tangentially over the membrane surface. The membrane surface or a solid body in the vicinity of the membrane surface are moved such that the liquid is subjected to shear forces at the interface between the rotor and the stator. The shear forces mechanically clean the membrane surface, keeping it relatively clean from particulate material and preventing the formation of a "filter cake on the membrane surface".
The particulate material that would otherwise accumulate on the membrane surface remains in suspension and is finally removed in the secondary stream, the so-called concentration stream.
Dynamic microfiltration systems can take various forms. E.g. affect the U.S. Patents Nos. 5,037,562; 3,997,447; 5,037,562; 3 997 447 and 4 956 102 dynamic disc (disk) microfiltration systems.
Cylindrical dynamic microfiltration devices are known in the U.S. Patents Nos. 4,956,102; 4,900,440; 4,427,552; 4,093,552; 4,066,554 and 3,797,662 and many others. The disclosure of all patents cited in this application is hereby incorporated by reference. So far, no dynamic microfiltration has been used for the production of milk and the use of cross-flow filtration of milk has been limited and has been used principally to fractionate milk based on the fat content in components.
It has now surprisingly been discovered that the dynamic microfiltration of milk can be carried out successfully by the method according to the invention without the known problems of destroying the milk quality, the premature clogging of the filters and the inadequate removal of the bacteria.
According to the invention, the milk, either whole or skimmed milk, is first homogenized and then fed to a filtration. When carrying out the homogenization as the first step, the particle size of the fat globules and other large, floating components of the milk is significantly reduced, which enables the microfiltration of the milk without fat or other components being significantly removed or entrained.
Milk is an emulsion of fat and protein particles in water. Homogenization offers a method of reducing the size of the emulsified particles in order to allow passage through an appropriately dimensioned microporous membrane and thereby to retain the bacteria contained therein, without undesired removal of the fat and protein content of the milk.
After homogenization, the milk is filtered using dynamic microfiltration. The invention therefore provides an improved process for the production of milk with a reduced bacterial content without the milk having to be pasteurized. The portion of the milk fraction retained by the microfilter (the concentrate fraction) can be recirculated as part of the feed, but can also be removed or used in other processes.
Thus, this invention provides a method of treating raw milk to produce treated milk with a reduced bacterial content compared to raw milk. The method involves homogenizing the milk and adding dynamic microfiltration within about 5 minutes after homogenization, passing the milk through a microfilter whose average pore size is sufficient to reduce the bacterial content of the milk flowing through and around to obtain a filtrate with a bacterial content lower than that of the raw raw milk and to a concentrate with a bacterial content higher than the raw raw milk.
The milk thus obtained has a very low bacterial content of around 10 <3> bacteria / ml or less and contains more organoleptic components than pasteurized milk of the same bacterial content.
The milk which can be obtained as a product of the process according to the invention is generally more stable than milk which has been pasteurized in a conventional manner. There is significant bacterial residue in pasteurized milk because milk naturally contains certain bacteria that survive the pasteurization process. Therefore, pasteurized milk must be kept refrigerated to reduce bacterial growth and spoilage.
Unfortunately, some of the bacteria in raw milk are both heat-stable (bacteria that survive pasteurization) and psychrophilic (bacteria that grow at low temperatures below 15 degrees Celsius), such as Bacillus cereus. The presence of thermostable, psychrophilic bacteria in packaged milk products is very disadvantageous since their rapid growth leads to spoilage of the milk even under cooling conditions.
This invention can produce sterile milk that can be used even at room temperature for extended periods, e.g. can be stored for more than 30 days. The sterile milk according to the invention can generally be characterized by the absence of bacteria, in particular by the absence of the following bacteria and pathogens:
<tb> <TABLE> Columns = 2
<tb> <SEP> Thermostable bacteria
<tb> <SEP> Micrococcus <SEP> M. luteus, M. roseus
<tb> <CEL AL = L> Streptococcus <SEP> S. pneumoniae, S. lactis, S. faecalis
<tb> <CEL AL = L> Lactobacillus <SEP> L. delbrueckii, L. lactis,
L. helveticus, L. casei, L. trichodes
<tb> <SEP> Staphylococcus <SEP> S. aureus, S. eoidermidis,
<tb> <SEP> Bacillus <CEL AL = L> B. cereus, B. subtilis, <SEP> B. macerans, B. stearothermophilus
<tb> <SEP> Clostridium <SEP> C. butyrium, C. pasteurianum,
C. botulinum, C. perfringens
C. tetani
<tb> <SEP> Psychrophilic bacteria
<tb> <SEP> Pseudomonas <SEP> P. aeruginosa, P. fluorescens
P. pseudomallei, P. mallei
<tb> <SEP> Archromobacter
Alcaligenes
<tb> <SEP> Acientobacter <SEP> A. lignieressii, A.
A. equirli
<tb> <CEL AL = L> Flavobacterium <SEP> F. aquatile, F. menigosepticum
<tb> <SEP> Bacillus <SEP> B. cereus, B. subtilis,
B. macerans,
B. stearothermophilus
<tb> <SEP> Coliform bacteria
<tb> <SEP> Enterobacter <SEP> E. coli, Salmonella Typhi
Shigella dysenteriae
Klebsiella pneumoniae
<tb> <SEP> others
<tb> <SEP> Listeria <SEP> L. monocytogenes
<tb> </TABLE>
The milk according to the invention can therefore meet or exceed the conditions for pasteurized milk of class A, according to which the number of colonies of bacteria in milk determined using standard methods must not exceed 30,000 per ml and coliform bacteria may only be present with less than 10 colonies per ml.
In another embodiment, the invention provides a method of treating raw milk to produce treated milk with a reduced bacterial content compared to raw milk. This procedure involves (1) separating the milk into a fat fraction with a minimum fat content of about 10% and into a skimmed milk fraction, (2) homogenizing the skimmed milk fraction and subjecting it to dynamic microfiltration within 5 minutes after homogenization, the skimmed milk fraction is passed through a microfilter with an average pore size sufficient to reduce the bacterial content of the milk flowing through and the resulting filtrate has a lower bacterial content than the original fraction of skimmed milk,
while the concentrate has a higher bacterial content than the original fraction of skimmed milk; (3) separately, reduction in the bacterial content of the fat fraction; and (4) subsequent combination of the skimmed milk fraction after microfiltration and the fat fraction with reduced bacterial content.
In a further embodiment, the invention provides a method for producing milk with a fat content of approximately 2%, with:
(1) homogenize the skimmed milk fraction and, within 5 minutes after homogenization, (2) deliver the skimmed milk fraction to dynamic microfiltration by passing the skimmed milk fraction through a medium pore size microfilter sufficient to add the bacterial content to the milk flowing through decrease, the resulting filtrate having a lower bacterial content than the original skimmed milk fraction, while the concentrate has a higher bacterial content than the original skimmed milk fraction, (3) reducing the bacterial content of a cream fraction with a minimum fat content of about 10%, and (4 ) subsequent combination of the skimmed milk fraction after microfiltration and the cream fraction with reduced bacterial content.
The invention also provides a method of treating milk for consumer consumption, comprising: obtaining raw milk; Homogenize the milk; within about 5 minutes after homogenization, subjecting the skimmed milk fraction to dynamic microfiltration, the milk fraction being passed through a microfilter with a medium pore size sufficient to reduce the bacterial content of the milk flowing through to a filtrate with a lower bacterial content than that to obtain original raw milk; Pack the milk in containers suitable for use by the customer, and transport the milk without cooling to a point from which the milk can be distributed to the consumer.
In general, the invention provides a milk distribution method for consumer consumption, comprising: obtaining raw milk, the milk bacterial content at a level of 10 <3> to lower bacteria per ml or less, to pack the milk in a container for use by the consumer and to transport it to a point without cooling where it can be distributed to the consumer. This makes refrigerated transport and delivery vehicles unnecessary.
The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings, in which:
Fig. 1 is a schematic diagram of the equipment used in the inventive method, and
2 shows the particle sizes of the milk after homogenization
shows.
The starting material is fresh, untreated raw milk from a domesticated animal, e.g. a cow. The method according to the invention can also be applied to treated milk, e.g. pasteurized, are used, although then not all advantages, such as the production of milk with improved organoleptic properties compared to pasteurized milk, come into play.
The raw milk to be treated can first be passed through a heat exchanger to bring it to a suitable temperature and, if desired, then passed through a centrifugal separator to remove all or part of the cream fraction in a conventional manner.
As an overview: The raw milk is homogenized and passed through a dynamic microfilter fairly quickly, resulting in a filtrate fraction and a concentrate fraction. The pores of the microfilter are dimensioned such that they retain at least some of the bacteria. The filtrate, which is the portion of the milk fraction that passes through the retention surface of the microfilter, consists of milk with or without a reduced bacterial content (compared to milk before microfiltration), the fat and protein content remaining essentially unchanged. The filtrate fraction can then either be used directly to make other products e.g. Milk powder, can be used or packaged without further treatment.
The filtrate fraction is more desirable than the milk obtained by conventional pasteurization for many reasons. It contains more organoleptic components than pasteurized milk, which makes it more substantial in taste, according to the wishes of the consumer. In addition, the milk obtained according to the invention has a considerably longer shelf life, since e.g. psychrophilic bacteria such as Bacillus cereus can be completely removed with this invention, which was impossible with conventional pasteurization.
The concentrate fraction, i.e. the portion of the milk fraction that is retained by the membrane surface of the microfilter from which it can be recovered consists of milk with an increased bacterial content (compared to the milk used before microfiltration), the fat globules and protein content being essentially different does not change. The concentrate fraction can then be discarded or used in other processes.
The filtrate may still contain some bacteria, but the lower the bacterial content, the more durable the product. Complete sterilization is desirable, but the initial growth rate of a low concentration of remaining bacteria is usually low enough to give the milk product a significantly longer shelf life.
The shelf life of the milk, which is produced according to the method according to the invention, is considerably longer than that of conventionally pasteurized milk, since the concentration of Bacillus cereus bacteria in particular is greatly reduced.
Because the milk of the present invention can be made sterile (whereas milk obtained using conventional pasteurization techniques cannot be really sterile), it can have an extremely long shelf life at room temperature or under refrigerated conditions, especially when the milk is stored in containers under aseptic conditions is filled. One way to do this is through the form-fill-seal technique known in the packaging industry. The technique is often used for packaging sterile solutions or the like, e.g. in the pharmaceutical industry. The milk produced according to the invention can be filled using the form-fill-seal technique. This milk can then have an extremely long shelf life even at room temperature.
The exact process or plant for filling is not critical. The following description is presented only by way of example and to explain the form-fill-seal technique.
Some vertical form-fill-seal systems use flat sheet material of a synthetic, thermoplastic film, which is unwound from a roll and formed into an endless hose in a tube-forming process section by the longitudinal edges of the film being connected to one another in a watertight manner. In other devices, the tube is extruded from a molten resin at the time of use. The hose formed in this way is conveyed on to a filling station, where it is folded along its cross-section. The cross section lies at a sealing station below the filling station. The sealing station creates a transverse weld seam on the folded part of the tube, which seals the tube airtight. After applying the cross seal seam, a certain amount of the material to be packed, e.g.
Liquid, filled into the hose at the filling station and the hose filled above the cross seal mentioned. The tube is then moved down a predetermined distance and sealed and cut off at the second cross station. Such a vertical form-fill-seal system, as just described, is sold under the trademark PREPAC, another is in U.S. U.S. Patent No. 5,038,550.
After a possible separation by centrifugation, the milk fraction is preferably first heated or cooled to a temperature which can be used for the homogenization. The milk is then placed in a homogenizer, in which the size of the emulsified fat is reduced to such an extent that it can pass through the membrane. A size of all suspended particles of less than about 1 micron is preferred. It is important that the milk is filtered relatively soon after homogenization. The filtration is preferably carried out within less than about 5 minutes, particularly preferably within less than about 2 minutes and very particularly preferably in less than about 30 seconds after homogenization.
The important point here is not the time that elapses before filtration, but the conduct of the filtration prior to substantial agglomeration of the beads, which leads to the formation of a substantial number of particles larger than about 1 micron in size.
It is essential to homogenize the skimmed or whole milk in a cylindrical, dynamic microfiltration unit before filtration in order to thoroughly emulsify and suspend the fat components and other components of the milk, to reduce their size sufficiently and to achieve perfect filtration. A rotating disc filter develops significant shear forces directly on the surface of the rotating disc. Therefore, some degree of homogenization of the milk can occur substantially simultaneously with the filtration. Such "self" emulsification of the milk by the action of the dynamic microfilter enables skimmed milk to be produced using a rotating disc filter without the need for a separate homogenizer.
In fact, the environment of the rotary disc filter causes the milk to be both homogenized and filtered at the same time, which is not achieved by a cylindrical rotary filter unit. A rotary disc filter can have a shear rate of approximately 200,000 sec <-> 1 cause, whereas a rotating, cylindrical unit only a shear rate of about 10,000 sec <-> <1> causes.
Although the shear forces in a rotating disc filter unit are considerable, in most cases it cannot be assumed that they are sufficient to homogenize whole milk to the extent required.
Dynamic filtration
According to the invention, the filtration is carried out as dynamic filtration, i.e. that the filter medium itself is kept in constant motion so that the actual flow rate of the milk over the filter is extremely high. The special physical shape of the dynamic membrane is not critical. The membrane can e.g. have the shape of disks or cylinders. Such dynamic microfiltration devices have been previously discussed and are suitable for use in the invention. In general, the dynamic microfilter consists of a cylindrical or disc-shaped membrane element which rotates in an impermeable cylinder surrounding it.
In a cylindrical, dynamic microfilter, when the liquid to be filtered is placed in the gap between the stator and the rotating membrane, the impulse of the rotating membrane is transmitted to the liquid. The liquid near the inner cylinder experiences a greater centrifugal force than the liquid near the outer cylinder. Under certain conditions, this phenomenon creates a flow pattern known as the Taylor vortex that prevents the build-up of significant residues on the membrane surface.
The dynamic filtration process uses the development of Taylor vortices by keeping the surface of the membrane free of possible residues, the components of which remain suspended in the liquid to be filtered. The process divides the feed into a filtrate (the portion of the liquid that passes through the membrane) and a concentrate (the fraction that contains the suspended particles that would normally have settled on the surface of the membrane and thereby clogged the membrane). In this way, a high flow rate through the membrane can be maintained over a long period of time. The amount of feed and concentrate must be controlled so that there is a constant flow. Even with low concentrate flow rates, it is possible to maintain a steady flow of liquid to the membrane surface.
The dynamic microfiltration enables a wide range of effective surface speeds of the filter relative to the milk. E.g. an effective surface speed of about 3 m / sec to about 50 m / sec can be used, preferably from about 5 m / sec to about 30 m / sec and be particularly preferably from about 8 m / sec to about 20 m / sec.
In order to achieve the desired surface speeds, a representative filter medium in the form of a cylinder with a diameter of approximately 6.35 cm must be rotated at a speed of approximately 1000 to approximately 6000 revolutions per minute (rpm), usually taking a speed of 5000 rpm becomes.
When a dynamic disc filtration device is used, the typical disc filter has a diameter of about 5.08 to about 121.92 cm. Such disks can e.g. at speeds of about 1000 rpm to about 8000 rpm (usually from about 3000 to about 6000 rpm), depending on the design of this particular dynamic microfilter being used.
The shear rates of such a disc filter are preferably between approximately 100,000 sec <-> <1> up to about 400,000 sec <-> <1>. Preferred disk filters include those of the type described in U.S. Patent application No. 07/812 123, filed on December 24, 1991. The associated patent specification is introduced in this patent specification as a disclosure to avoid repetition.
The pore size of the microfilter is selected so that the bacteria contained in the milk are retained and at the same time an acceptable flow rate through the microfilter is maintained. Suitable membranes are hydrophilic, microporous membranes with good flow properties, narrow pore size distribution and constant performance in removing the bacteria of interest. The pore size of the microfilter membrane should range from about 0.01 micron to about 5.0 micron, as can be determined using prior art methods. The tests are known as the bubble point (ASTM F316-86) and KL method (U.S. Patent No. 4,340,479). Preferably, the pore size will range from about 0.1 to about 1.0 micron. Filters whose pore size ranges from about 0.2 to about 0.5 micron are particularly preferred.
Such microporous filters are well known and easy to obtain.
Preferred microporous membranes that can be used in the present invention include those from Pall Corporation under the trademark Ultipor N66 <TM>, Fluorodyne <TM> and Posidyne <TM>; from Cuno Corporation under the trademark Zetapor <TM> and from Millipore under the trademark Durapore <TM> are sold.
The cylindrical membrane elements which are used in accordance with the invention include those which are leak-tightly fastened to a holder using known methods.
Finally, the bacteria should be concentrated in a stream that contains less than 5% of the feed; more than 95% of the solids and proteins normally contained in milk should pass the membrane over a longer period of time.
The dynamic microfilter can be operated for a single pass without the concentrate having to be fed back. If desired, the concentrate can be returned to the feed. If a cylindrical, dynamic microfilter is used, it can be operated with different ratios of filtrate flow to the total feed flow (concentration factors). A filtrate / feed ratio of more than 90%, better still about 95% and in particular more than 98% is advantageous when operating a cylindrical dynamic microfilter in order mainly to obtain the desired filtrate, which contains very few bacteria.
The situation is similar when a rotating, disc-shaped dynamic microfilter is used. It can also be operated with different filtrate flow to total feed flow ratios, with a wide variation of filtrate / feed ratio being possible. Choosing a large ratio leads to low flow, while a small ratio means higher flow. Operation at a ratio of about 40% is believed to be advantageous in order to maintain a constant flow rate through the filter, although other ratios can be used.
The filtration of the freshly homogenized milk can be carried out warm at 40 ° C. to 60 ° C., which corresponds approximately to the crystallization temperature of the higher melting components of the milk fat, which is around 40 ° C. This value is lower than that used in conventional thermal pasteurization. Alternatively, with a slight decrease in flow rate, the milk can be filtered at much lower temperatures, e.g. between about 15 ° C. and about 35 ° C., in particular from about 20 ° C. to about 25 ° C.
General
After microfiltration, the concentrate can be removed in any suitable manner, subjected to further treatment or used directly.
The method of this invention can advantageously be used when the desired end product is either whole milk, standardized milk or skimmed milk.
The flow rate through a membrane that retains the bacteria is normally higher in milk with a reduced fat content than in milk with a high fat content. In certain situations it is economically more advantageous to produce milk with a higher fat content (e.g. milk with 2% fat) by mixing filtered, skimmed milk with a filtered fat fraction. This fat fraction can be a cream fraction with a minimum fat content of around 10%.
The filtration of the cream fraction can be carried out using the 07/952 337 disclosed methods or using a filter cartridge that has at one end a filter impermeable to bacteria. The filtration can be carried out in an industrially acceptable manner by heating the fat mixture to a point where it is in the liquid state and can be easily filtered through a microporous membrane. The preheated fat can be homogenized before filtration. Alternatively, the fat mixture can be fed to pasteurization to reduce the bacterial content, or a combination of pasteurization and microfiltration can be used.
Furthermore, if the method is to obtain a protein concentrate of the milk of a transgenic animal (e.g. a transgenic cow), the dynamic microfiltration can be performed using a microporous membrane with a pore size of about 0.2 micron or less to obtain a highly concentrated concentrate to reach.
A suitable device for carrying out the method according to the invention can be constructed by connecting conventional devices such as centrifuges, microfilters, sterilization units, heat exchangers and pumps to one another. Those skilled in the art will readily be able to provide flow and pressure control valves and other necessary aids to make such a system operational and to provide other common modifications necessary for the particular application.
All references mentioned so far are included here as cross-references. The following examples illustrate certain application forms, but are in no way intended to limit the scope of the invention as disclosed in the claims.
General procedure
The following general procedures were used for the examples.
Procedure A:
Milk temperature setting
Unless otherwise specified, the milk used in the following examples is milk purchased from retailers.
The temperature of the milk was brought to a process temperature suitable for the treatment before the filtration. The preferred operating temperature (40-60 ° C) was used because most of the milk fat is in this form in non-crystallized form. The process took place in a jacketed 35 l fermentation vessel (Type 3000 from Chemap A.G.). The jar was filled with the milk and the contents were heated to about 50 ° C. with a warm water jacket, unless stated otherwise. The milk was stirred during the heating process to speed up the heat exchange.
As soon as the milk had reached the desired process temperature, it was pumped into the homogenizer at a rate of about 1 l / min.
Procedure B:
Homogenization of the milk
Once in the homogenizer (Model 15 MR from APV Gaulin, Inc.), the milk is subjected to a two-phase homogenization process, with a first step at about 17.5 x 10 <6> Pa (2500 psi) and a second at about 35 x 10 <5> Pa (500 psi). The procedures for starting and operating this unit specified in the APV Gaulin operating manual were followed. After homogenization, the milk was usually transferred to a jacketed pressure vessel in which the desired process temperature was maintained. This container acted as a liquid buffer between the homogenizer outlet and the output to the filter.
Whenever desired, the homogenized milk could be returned through the homogenizer to maintain a constant volume in the container.
Procedure C:
Introducing bacteria into the milk feed stream
In some experiments, the milk flow was artificially inoculated with bacteria in order to demonstrate the extremely high titer reduction possible with this invention. The bacterial suspension was added to the feed stream via a measuring pump connected between the treatment vessel and the homogenizer. The flow rate of the inoculum was maintained so that a desired bacterial concentration of about 106 bacteria per ml milk was achieved. Since the bacteria were added before homogenization, the bacteria were mixed well in the liquid to be treated before reaching the filtration device. E.coli strain ATCC 15 224 was used in most of the examples.
Another method of inoculating the milk with bacteria would be to add the bacteria directly to the process vessel to the desired concentration. Such a method is not preferred because it exposes the bacteria to temperatures above the ambient temperature that are too long. Depending on the strain used, this could lead to undesirable growth or excessive killing of the bacteria before they have reached the filtration device.
Procedure D:
Bacteria detection
Mesophiles: the bacterial concentration was determined by passing the appropriate dilution through a sterile membrane with a pore size of 0.2 micron after a series of dilutions of the sample and subsequently culturing on Mueller-Hilton agar at 32 ° C. for 24 h. These procedures are described in "Manual of Clinical Microbiology, 2nd Edition, 1974, ASM, Washington, D.C." described in detail.
Listeria monocytogenes, ATCC 43256, was the pathogen tested. The population density in the samples was determined using the method according to Agello et al. (Agello, G., Hayes, P. and Feeley, J .: Abstracts of the Annual Meeting. 1986, ASM, Washington DC, p. 5).
Procedure E:
Cleaning process
Disinfection and sterilization were performed with 0.1 N NaOH before each experiment. In the sterilization process, the membrane and the entire associated device were first rinsed with water and then treated for about 1/4 h at 50 ° C. with 0.1 N NaOH. The caustic liquid was then neutralized with phosphoric acid. This neutralized solution was used to flush the system until all parts were neutralized. The filtration tests were carried out immediately after this procedure. The entire device and filter elements were disinfected using the sterilization procedure after each test.
Procedure F:
Integrity test
Each membrane element was checked for integrity before each test (bacterial challenge). A "forward flow test" as described in the NM 900a publication "The Pall Ultipor membrane filter guide", copyright 1980, available from Pall Corporation, was used as an integrity test.
Description of the filter device
1. The cylindrical dynamic microfilter
The cylindrical, dynamic microfilter (cylindrical DMF) used for these tests was of the BDF-01 type, manufactured by Sulzer Brothers Limited, Winterthur, Switzerland. The equipment is at Rebsamen et al. (Dynamic Microfiltration and Ultrafiltration in Biotechnology, Rebsamen, E. and Zeigler, H., Proceedings of the World Filtration Congress IV, 1986, (Ostend, B)). See also U.S. Patents Nos. 4,066,554 and 4,093,552, which are included here as references / cross references.
2. Description of the membrane filter elements
The filter elements typically used in these experiments were different classes of nylon membranes, Ultipor N66 <TM> and Posidyne <TM>, available from Pall Corporation, Glen Cove, N.Y. The pore sizes were 0.2, 0.30, 0.45 and 0.65 micron. The surface of the membrane elements had a size of 0.04 m <2>.
3. The dynamic microfilter in disk form
The disc-shaped version consists of a disc-shaped membrane holder with a diameter of 15.24 cm, which is attached to a hollow shaft and is located in a watertight housing with the necessary connections for the liquid supply and discharge. The retaining disc has devices to secure the membranes against leakage and contains drainage channels to allow the filtrate to flow through the membrane and the disc and through the shaft to the outside. The effective membrane area was 0.014 m <2>, and speeds of rotation of up to 4500 rpm can be achieved.
Any of the dynamic disk microfiltration units listed above can be used according to the invention. For the description of another dynamic microfiltration unit in disk format which can be used according to the invention, reference is also made to the U.S. Patent application No. 07/812 123, filed December 24, 1991.
4. Description of the membrane filter elements
The membrane filter elements belonged to the same class of membranes as described in the section "cylindrical DMF". Usually the membranes consist of round, smooth rings ("donuts"), which are cut to fit the disc-shaped DMF. As soon as they were installed in the dynamic microfilter, the filtrate chamber was sealed against the feed material using O-rings. The membrane filter elements had a surface area of 0.014 m <2>.
Procedure G1:
Operation of the cylindrical dynamic microfilter
Before filtration, a filter element was installed in the cylindrical dynamic microfilter (DMF) as described in the section on filter assembly. Disinfection and sterilization were carried out according to procedure E. After adhering to the procedures for starting up the system carried out in method G2, the milk to be filtered was pumped from the container into the cylindrical DMF via a displacement pump. The amount of concentrate is controlled by a second pump or a pressure relief valve, which are attached to the concentrate opening. The temperature and flow rate of the feed, the filtrate and the concentrate, and the feed pressure were taken at different times, usually at 10 min intervals, during the conduct of the experiment.
Standard conditions for operating the cylindrical DMF were a rotation speed of 5000 rpm, a ratio of filtrate to feed of more than 95% and a feed pressure of about 1.3 x 10 <5> -2.0 x 105 (1.3-2.0 bar). All examples carried out with this device were carried out with a constant flow rate of the feed material.
Procedure G2:
Commissioning of the dynamic filter
Before the milk was placed in the dynamic filter, warm, deionized, filtered (0.2 micron filter) water was sent through the system to start up the associated machines. The speed of rotation of the dynamic filter was brought up to operating speed with the water flowing through the system. As soon as the system reached equilibrium, the milk flow was switched on. The milk displaced the water in the system and the filtration started.
Procedure H:
Operating the dynamic disc microfilter
A disc DMF filter element, as described in the section on filter assembly, was installed in the disc DMF. Disinfection and sterilization was carried out according to procedure E. After adhering to the procedures for starting up the system carried out in method G2, the milk to be filtered was pumped from the pressure container into the disk DMF. The amount of concentrate and feed pressure were controlled by a valve located at the concentrate opening. The temperature and flow rate of the feed, filtrate, concentrate, and feed pressure were measured at different times, usually at 10 min intervals, during the conduct of the experiment. A feed rate of 960 ml / min was observed in all examples.
The filtrate fluxes listed were those which were achieved when the flow in the filter unit had stabilized.
Examples
example 1
Skimmed milk at room temperature was placed at a rate of 600 ml / min in a cylinder DMF made with a 0.45 micron Ultipor N66 <TM> membrane was populated, pumped. The operating conditions in the DMF described in more detail in method G1 were adhered to and are summarized in Table 1. The feed pressure started to rise rapidly a few minutes after the start of the test, indicating a clogging of the microporous membrane.
Example 2
Skimmed milk was heated to 50 ° C. according to method A and homogenized according to method B. The homogenized milk was then stored in the intermediate container for about four hours. Meanwhile, the milk was kept at 50 ° C. After this four-hour break, the milk was fed into a 0.45 micron Ultipor N66 at a feed rate of about 600 ml / min <TM> Diaphragm-filled cylinder-DMF pumped. The preferred operating conditions for the DMF carried out in process G1 were observed. The feed pressure started to increase rapidly after only a few minutes of operation, which indicated that the microporous membrane was clogged, which is why the test had to be ended.
Example 3
Skimmed milk, heated to 50 ° C according to method A and homogenized according to method B, was placed in a 0.45 micron Ultipor N66 within no more than 5 minutes after homogenization <TM> Diaphragm-filled cylinder-DMF pumped. The preferred operating conditions for the DMF carried out in process G1 were observed. By the end of the milk supply there was a stable filtrate flow of 1080 l / h / m <2> complied with. No increase in feed pressure was observed during the course of the experiment. As soon as all the milk had been treated, the task was switched to 50 ° C. warm, non-homogenized, skimmed milk without disturbing the operation of the system. Within a few minutes, the filtrate flow dropped rapidly and the system pressure rose, indicating that the membrane had clogged.
This example clearly shows that the milk has to be homogenized in order to obtain significant flow through the membrane.
Examples 1-3 show that it is necessary to subject the milk to sufficient shear before filtration (in this case via homogenization) in order to reduce the size of the emulsified particles sufficiently. This enables the milk to pass through the microporous membrane, resulting in perfect filtration. Example 2 shows in particular that the particle size increases again within a short time after the homogenization. Therefore, for perfect filtration, the homogenization must take place shortly before the filtration, e.g. less than 5 minutes beforehand, with shorter intervals being even better.
Example 4
Skimmed milk was preheated according to procedure A and placed in a 0.45 micron Ultipor N66 <TM> Membrane-filled disc DMF pumped. The procedures described in Procedure H were used. A uniform flow of the filtrate was quickly established, which was then maintained for approximately 100 minutes until the milk supply was terminated.
The operating conditions of the disc DMF produce a calculated shear rate of approximately 200,000 seconds <-> <1> in the space between the rotating disc and the membrane. This shear is in the range of the shear rates generated by the homogenizer under the conditions of method B.
The example shows that the shear required before filtration can be achieved in one step, i.e. without the need for separate homogenizers.
The example clearly shows that the membrane was not clogged by the solids in the milk and that the shear of about 200,000 seconds generated by the rotation of the disk <-> <1> was sufficient to reduce the particle size in the skimmed milk to such an extent that the milk could pass through the microfilter membrane and a perfect filtration was obtained.
Table 1 summarizes the results of Examples 1-4; the data show that equilibrium filtrate flow through the membrane is achieved if the milk is sheared shortly before filtration.
<tb> <TABLE> Columns = 8 Table 1
<tb> Head Col 1: Example No.
<tb> Head Col 2: filtration
method
<tb> Head Col 3: feed-
temperetur
(DEG C)
<tb> Head Col 4: shear in the filter (sec <-> <1>)
<tb> Head Col 5: homogeneous
sation
<tb> Head Col 6: break after homogeneous
sation
<tb> Head Col 7: pore sizes (micron)
<tb> Head Col 8:
flow
(l / h / m <2>)
<tb> <SEP> 1 <SEP> cylinder <SEP> 25 <SEP> 10,000 <SEP> no <SEP> no <SEP> 0.45 <CEL AL = L> 0
<tb> <CEL AL = L> 2 <SEP> cylinder <SEP> 50 <SEP> 10,000 <SEP> yes <SEP> 4 hours <SEP> 0.45 <SEP> 0
<tb> <SEP> 3 <CEL AL = L> cylinder <SEP> 50 <SEP> 10,000 <SEP> yes <SEP> 5 min. <SEP> 0.45 <SEP> 1080
<tb> <SEP> 4 <CEL AL = L> disc <SEP> 50 <SEP> 200,000 <SEP> no <SEP> - <SEP> 0.45 <SEP> 1600
<tb> </TABLE>
Example 5
In order to determine the relationship between the particle size and the time after homogenization, skimmed milk was heated according to method A and homogenized using the method described in method B. The distribution of the particle size as a function of the time after homogenization was determined. The particle size distribution was measured using an Integrated Micro-Optical Liquid Volumetric Sensor (IMOLV-.2), available from Particle Measurement Systems, Colorado. This laser particle counter is suitable for measuring particle sizes in the range of approximately 0.1-5.0 micron.
The milk samples were diluted 1: 300,000 and then subjected to the test as described in the operating manual for the IMOLV device. Filtered (0.04 micron filter) deionized (DI) water at 18 mega-ohms with a particle number of less than 50 per ml was used to dilute the milk samples.
Figure 2 shows the results of the particle analysis. In one figure, the number of particles in relation to the number of particles is plotted against the particle size after 5 seconds. The figure clearly shows that the number of larger particles increases with the time after homogenization. Since the number of smaller particles decreases accordingly in the same time, it is obvious that the small particles agglomerate into larger particles over time.
Examples 6-9
In the cylinder DMF, membranes with different pore sizes and different bacterial retention capacities were tested in order to determine the order of magnitude of the uniform filtrate flow of the milk. The procedure generally used in Examples 6-9 is given below.
1. The desired membrane filter element was installed in the cylinder DMF.
2. A test for integrity as described in Method F was performed and the membrane filter element was discarded if it failed the test.
3. The device was disinfected according to procedure E.
4. The milk to be filtered was preheated according to the procedure in procedure A.
5. The milk was homogenized according to method B.
6. The commissioning procedure specified in procedure G2 was carried out.
7.
The milk was transferred from the intermediate container into the cylinder DMF at the desired flow rate.
8. The operating parameters were determined using the guidelines from Procedure G1.
9. Appropriate measurements were made.
Typically, the cylinder DMF was operated at 5000 rpm, corresponding to a shear rate of approximately 10,000 seconds <-> <1> in the filter. The temperature of the feed was 50 ° C and the feed pressure varied from 1.3 x 10 <5> -2.0 x 10 <5> Pa (1.3-2.0 bar). The filtrate to feed ratio was maintained above 95% for each of these examples. The flow shown in Table 2 is the equilibrium filtrate flow typically obtained 15 minutes after the start of filtration. The total duration of the experiment differed in each case, since the filtered volume of milk was constantly 30 liters.
Example 6
For this example, a 0.2 micron Ultipor N66 <TM> membrane used. The feed rate was 250 ml / min, around an equilibrium flow of the filtrate of 330 l / h / m To get <2>. The filtration was carried out for about 130 minutes without an apparent decrease in the filtrate flow rate until the milk was processed in the treatment vessel.
Example 7
For this example, a 0.30 micron Ultipor N66 <TM> membrane used. The feed rate was 550 ml / min, around an equilibrium flow of the filtrate of 775 l / h / m To get <2>. The experiment was ended after 60 min.
Example 8
For this example, a 0.45 micron Ultipor N66 <TM> membrane used. The feed rate was 740 ml / min, an equilibrium flow of the filtrate of 1080 l / h / m To get <2>. Filtration was carried out for about 40 minutes until the milk supply ran out, with no appreciable decrease in flow rate.
Example 9
In this example, a 0.65 micron Ultipor N66 <TM> membrane inserted. The feed rate was 110 ml / min and there was an equilibrium flow of the filtrate of 1680 l / h / m <2> received. The filtration was carried out over 30 minutes until the milk supply was exhausted.
Examples 6-9 are summarized in Table 2. The data show that a stable filtrate flow can be obtained when using the filtration method according to the invention and when using different bacterial retention membrane stages. The table shows that membranes with smaller pores and consequently improved bacterial retention can be used at the expense of the filtrate flow rates in the process according to the invention.
<tb> <TABLE> Columns = 10 Table 2:
Milk flow when using different membranes in cylindrical DMF
<tb> Head Col 1: Bei-
game number
<tb> Head Col 2: Fluid
<tb> Head Col 3: Mem-
bran
<tb> Head Col 4: pore
size (micron)
<tb> Head Col 5: rpm
<tb> Head Col 6: task-
good temperature
temperature (DEG C)
<tb> Head Col 7: task-
pressure
(x 10 <5> Pa)
<tb> Head Col 8: ratio of filtrate / feed material
<tb> Head Col 9:
Experimental
duration (min.)
<tb> Head Col 10: river
(l / h / m <2>)
<tb> <SEP> 6 <SEP> skimmed milk <SEP> Ultipor N66 <TM> <SEP> 0.20 <SEP> 5000 <SEP> 50 <CEL AL = L> 2.0 <SEP> 0.97 <SEP> 130 <SEP> 330
<tb> <SEP> 7 <SEP> skimmed milk <SEP> Ultipor
N66 <TM> <SEP> 0.30 <SEP> 5000 <SEP> 50 <SEP> 1.6 <SEP> 0.97 <SEP> 60 <SEP> 775
<tb> <SEP> 8 <CEL AL = L> skimmed milk <SEP> Ultipor
N66 <TM> <SEP> 0.45 <SEP> 5000 <SEP> 50 <SEP> 1.5 <SEP> 0.97 <SEP> 40 <SEP> 1080
<tb> <SEP> 9 <CEL AL = L> skimmed milk <SEP> Ultipor
N66 <TM> <SEP> 0.65 <SEP> 5000 <SEP> 50 <SEP> 1.3 <SEP> 0.97 <SEP> 30 <SEP> 1680
<tb> </TABLE>
Example 10
In this example, a 0.2 micron Posidyne <TM> membrane with positive surface charge used. The pore surfaces of the membrane used are covered with quaternary ammonium groups and this has a high absorption capacity for biological material.
The feed rate was 260 ml / min, an equilibrium flow of the filtrate of 360 l / h / m To get <2>. The filtrate flow was of the same order of magnitude as that obtained with uncharged membranes (described in Example 6). The filtration was carried out for about 120 minutes until the milk supply in the treatment tank was exhausted, without a noticeable decrease in the filtrate flow rate. During the experiment, a filtrate to feed ratio of over 97% was maintained. Other experimental conditions are given in Table 3.
It was to be expected that a large part of the proteins from milk would bind to the membrane surface and eventually clog them. This example shows that in dynamic operation even a membrane that normally binds proteins behaves well.
Example 11
Whole milk was fed at a feed rate of 740 ml / min and a stable filtrate flow of 1130 l / h / m <2> received. Further experimental conditions are shown in Table 3. The filtration was carried out for about 40 minutes until the milk supply was exhausted. The example shows that whole milk can be filtered using the method according to the invention. The differences in filtrate flow observed between whole milk and skimmed milk (as in Example 9) seem to be mainly due to their viscosity differences.
The ratio of the filtrate flow achieved for whole milk to skimmed milk is approximately equal to the ratio of the viscosities of whole milk to skimmed milk.
<tb> <TABLE> Columns = 10 Table 3
<tb> Head Col 1: Example No.
<tb> Head Col 2: Fluid
<tb> Head Col 3: Mem-
bran
<tb> Head Col 4: pore
size (micron)
<tb> Head Col 5: rpm
<tb> Head Col 6: task-
good temperature
temperature (DEG C)
<tb> Head Col 7: task-
pressure
(x 10 <5> Pa)
<tb> Head Col 8: Filtrate / Auf- ratio
good
<tb> Head Col 9: experimental
duration (min.)
<tb> Head Col 10: river
(l / h / m <2>)
<tb> <SEP> 10 <SEP> skimmed milk <SEP> Posi-
dyne <TM> <SEP> 0.20 <SEP> 5000 <SEP> 50 <SEP> 2.0 <SEP> 0.97 <SEP> 120 <SEP> 360
<tb> <SEP> 11 <CEL AL = L> whole milk <SEP> Ultipor N66 <TM> <SEP> 0.65 <SEP> 5000 <SEP> 50 <SEP> 1.4 <SEP> 0.93 <SEP> 40 <CEL AL = L> 1130
<tb> </TABLE>
Examples 12-16
The examples for determining the filtrate flow through various bacteria retention membranes were repeated using the disc-shaped dynamic microfilter. The general procedures for Examples 12-16 are described below. The generally described conditions apply to each example, unless expressly stated otherwise.
1. The desired membrane filter element was installed in the disc DMF.
2. As described in Method F, an integrity test was performed. The membrane filter element was removed if it failed the test.
3. The device parts were disinfected according to procedure E.
4. The milk to be filtered was preheated using the method described in Method A.
5. The milk was homogenized according to method B.
6.
The general procedure for commissioning was carried out as described in procedure G2.
7. The milk was transferred from the container to the disc DMF at a predetermined flow rate.
8. Appropriate measurements have been made.
A rotational speed of 3500 rpm was typically maintained, which corresponds to a shear speed of approximately 200,000 sec <-> Corresponds to <1>. The feed had a temperature of 50 ° C. and the feed pressure was approximately 0.2 × 10 <5> Pa (0.2 bar). The milk was pumped into the filter at a rate of 960 ml / min to maintain a high cross flow rate across the membrane. The ratio of the filtrate to the feed material was specially adapted to the pore size of the membrane, the feed material temperature and the rotor revolutions (rpm). The unfiltered part of the feed was returned to the process container. The flow shown in the following table is the steady state flow of the filtrate through the membrane, which was normally achieved half an hour after the start of the filtration.
Example 12
For this example, a 0.2 micron Ultipor N66 <TM> membrane used. The equilibrium filtrate flow was 850 l / h / m <2>.
Example 13
For this example, a 0.45 micron Ultipor N66 <TM> membrane used. The equilibrium filtrate flow was 1600 l / h / m <2>.
Example 14
For this example, a 0.45 micron Posidyne <TM> membrane used. An equilibrium filtrate flow of 1600 l / h / m <2> was received.
The data presented in Table 4 summarize Examples 11-13. The data show that a stable filtrate flow can be obtained when using the filtration method according to the invention using different stages of bacteria retention membranes in disc DMF. The table shows that membranes with smaller pores and therefore higher bacterial retention (titer reduction) can be used according to the invention at the expense of the filtrate flow rate.
<tb> <TABLE> Columns = 10 Table 4
<tb> Head Col 1: Bei-
game number
<tb> Head Col 2: Fluid
<tb> Head Col 3: membrane
<tb> Head Col 4: pore
size (micron)
<tb> Head Col 5: rpm
<tb> Head Col 6: task-
good temperature
temperature (DEG C)
<tb> Head Col 7: task-
pressure
(x 10 <5> Pa)
<tb> Head Col 8: ratio of filtrate / feed material
<tb> Head Col 9: experimental
duration
(min)
<tb> Head Col 10:
flow
(l / h / m <2>)
<tb> <SEP> 12 <SEP> skimmed milk <SEP> Ultipor
N66 <TM> <SEP> 0.20 <SEP> 3500 <SEP> 50 <SEP> 0.2 <SEP> 0.22 <SEP> 137 <SEP> 850
<tb> <SEP> 13 <CEL AL = L> skimmed milk <SEP> Ultipor
N66 <TM> <SEP> 0.45 <SEP> 3500 <SEP> 50 <SEP> 0.2 <SEP> 0.37 <SEP> 80 <SEP> 1600
<tb> <SEP> 14 <CEL AL = L> skimmed milk <SEP> Posidyne <TM> <SEP> 0.45 <SEP> 3500 <SEP> 50 <SEP> 0.2 <SEP> 0.37 <SEP> 80 <CEL AL = L> 1600
<tb> </TABLE>
Example 15
Skimmed milk at a temperature of 18 ° C is homogenized according to method B and into one with a 0.45 micron Ultipor N66 <TM> membrane-equipped disc-DMF pumped. Filtration was carried out at a feed rate of 860 ml / min and an equilibrium filtrate flow of 860 l / h / m <2> performed. The filtered milk was measured at 25 ° C. Other conditions of this example are shown in Table 5.
The example shows that chilled, skimmed milk at around 18 ° C. can be processed with a method according to the invention through a bacteria retention membrane. The reduced flow of filtrate at this low temperature is probably due to the higher viscosity of the milk at this temperature compared to higher temperatures.
Example 16
A disc DMF was made with a 0.45 micron Ultipor N66 <TM> membrane equipped. Whole milk was added to the disk DMF at a rate of 900 ml / min and there was an equilibrium filtrate flow through the membrane of 850 l / h / m <2> reached. The experiment was performed without recycling the unfiltered portion of the feed stream.
The example shows that whole milk can be filtered using a disc DMF using the method according to the invention. Skimmed milk gives an equilibrium filtrate flow of approximately 1600 l / h / m under essentially the same conditions <2>. The differences in filtrate flow observed between whole milk and skimmed milk correspond approximately to the ratio of the different viscosities of the liquids.
Example 17
Using the procedures described above, a disk DMF filtration experiment was performed using a high filtrate to feed ratio. The skimmed milk was fed in at 115 ml / min and a rotation speed of 2100 rpm. There was a filtrate flow of 460 l / h / m <2> received.
<tb> <TABLE> Columns = 10 Table 5
<tb> Head Col 1: Bei-
game number
<tb> Head Col 2: Fluid
<tb> Head Col 3: Mem-
bran
<tb> Head Col 4: pore
size (micron)
<tb> Head Col 5: rpm
<tb> Head Col 6: task-good temp-
temperature (DEG C)
<tb> Head Col 7: task-
pressure
(x 10 <5> Pa)
<tb> Head Col 8: Filtrate / Auf- ratio
good
<tb> Head Col 9: experimental
duration
(min)
<tb> Head Col 10:
flow
(l / h / m <2>)
<tb> <SEP> 15 <SEP> skimmed milk <SEP> Ultipor N66 <TM> <SEP> 0.45 <SEP> 3500 <SEP> 18 <CEL AL = L> 0.2 <SEP> 0.23 <SEP> 130 <SEP> 860
<tb> <SEP> 16 <SEP> whole milk <SEP> Ultipor N66 <TM> <CEL AL = L> 0.45 <SEP> 3500 <SEP> 50 <SEP> 0.2 <SEP> 0.23 <SEP> 90 <SEP> 850
<tb> <SEP> 17 <SEP> skimmed milk <SEP> Ultipor N66 <TM> <SEP> 0.45 <SEP> 2100 <SEP> 50 <SEP> 0.5 <SEP> 0.92 <SEP> 50 <SEP> 460
<tb> </TABLE>
Example 18
To demonstrate the long-term behavior, an experiment was carried out with a large amount (500 l) of raw, unpasteurized, skimmed milk. The milk was preheated to 50 ° C. using a plate heat exchanger. It was then homogenized according to method B and pumped into the cylinder DMF equipped with a 0.65 micron membrane. Typically, the dynamic microfilter was operated at 5000 rpm in this example. The feed pressure fluctuated between 1.3 x 10 <5> and 1.5 x 10 <5> Pa (1.3 and 1.5 bar) at a feed rate of approximately 1300 ml / min. The filtrate to feed ratio was maintained above 95%. There was an equilibrium filtrate flow of approximately 1680 l / h / m <2> received.
During the six hours of continuous operation required to treat the 500 L, neither a decrease in the flow of filtered milk nor any increase in the feed pressure was observed.
The example shows that it is possible to use the filtration method according to the invention over a long period of time.
Example 19
The example shows the capabilities of the method according to the invention for extracting protein from milk. Proteins in milk generally range in size from about 0.02 to about 0.3 micron (DG Schmidt, P. Walstra and W. Buchheim, Neth. Milk Dairy J. 27 (1973): 128), which makes it possible is to win them by means of the method according to the invention.
This is particularly important for the extraction of biologically important proteins from transgenic animals, e.g. transgenic cows, sheep and the like, important, which have been genetically modified using techniques known per se to stimulate the production of such proteins.
A disc DMF equipped with a 0.2 micron nylon filter was used. The filtration of the milk was carried out at a feed rate of 840 ml / min, at which an equilibrium flow through the membrane of about 850 l / h / m <2> was reached, and a rotor speed of 3500 rpm was carried out. The retentate was recycled in this process while the filtrate was discarded. Samples of the feed material, the retentate and the filtrate were taken at regular intervals, which were then examined for their total protein content using the Kjeldahl method. This indicated that the protein content of the retentate initially corresponded to that of the feed material, but increased with the duration of the recirculation of the retained material (4.9% retentate, 3.1% feed material).
The use of membranes with a smaller pore size should result in an even better protein concentration in the concentrate stream.
Examples 20 and 21
The examples were carried out to demonstrate that no fractionation of the milk components takes place during the filtration process according to the invention. In these examples, samples of feed, filtrate, and concentrate were examined at various times during filtration to determine protein concentration by the Kjeldahl method and total solids by evaporation.
Example 20
Feed, filtrate and concentrate samples were taken at different times during the experiment described in Example 18 and examined for their total solids. The data in Table 6 show no noticeable loss of total solids in the filtrate when using a 0.45 micron membrane.
Example 21
Feed, filtrate, and concentrate samples were taken at different times while performing Example 13 and examined for total solids and protein levels in each stream. The results are shown in Table 6. Again, the filtered milk showed no significant loss of solids or proteins when using a 0.45 micron membrane.
<tb> <TABLE> Columns = 8 Table 6
<tb> Head Col 1: filtration
method
<tb> Head Col 2: membrane po
ren size
(micron)
<tb> Head Col 3 to 5 AL = L: proteins%
<tb> Head Col 6 to 8 AL = L: total solids%
<tb> Head Col 3 AL = L: filtrate
<tb> Head Col 3: task-
Well
<tb> Head Col 4: Concentrated
kicked
<tb> Head Col 5: filtrate
<tb> Head Col 6: task-
Well
<tb> Head Col 7:
Concentrated
kicked
<tb> <SEP> cylinder
Example 20 <SEP> 0.65 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 9.14 <SEP> 9.17 <SEP> 9.35
<tb> <SEP> disc
Example 21 <SEP> 0.45 <SEP> 3.38 <SEP> 3.15 <SEP> 3.35 <SEP> 8.64 <SEP> 8.70 <SEP> 8.85
<tb> </TABLE>
Examples 22-28
Experiments 22-28 were performed to demonstrate the ability of this invention to remove bacteria. The general operating procedure was the same as that used in Examples 6 to 18, except that Method C bacteria were added to the treatment stream. Unless otherwise noted, E. coli bacteria, which are commonly found in milk, were used in this experiment to inoculate.
Feed, filtrate and bacterial concentrate samples were taken under sterile conditions at different times during the filtration. The samples were examined for bacteria using the method carried out in method D. The results are shown in Table 7.
As can be seen from the table, it is possible according to the invention to achieve a significant reduction in the bacterial content of milk. The high removal rate of E.coli can be directly transferred to a high removal rate of Bacillus cereus, a bacterium that cannot be completely removed with conventional pasteurization. E.coli is known to be rod-shaped, with a size of approximately 1.1 to 1.5 μm to approximately 2 to 6 μm. Bacillus bacteria such as Bacillus cereus also have a rod shape and a similar size from approximately 1.0 to 1.2 μm to 3 to 5 μm. Therefore, the ability to remove E. coli, as shown in Table 7, means that the method also makes it possible to remove the highly undesirable bacterium Bacillus cereus. This leads to a milk with a very long shelf life, even at room temperature.
Examples 22, 23, 24
Examples 6, 8 and 9 were repeated with the change that E. coli was added to the treatment stream according to method C. Samples of the feed, the filtrate and the concentrate were taken for bacterial tests. The titer reduction data are given in Table 7.
Example 25
Example 13 was repeated with the change that bacteria were added to the feed stream according to method C and the bacterial concentrate was not returned to the treatment vessel. There was an equilibrium milk flow of about 1600 l / h / m <2> received. The microbiological results are shown in Table 7.
The filtered milk contained only a very low content of approximately 7 to 10 bacteria per ml milk, i.e. significantly lower than the bacterial content of the feed material of 10 <6> per ml. In this case the titer reduction was greater than 10 <5>. For comparison: during conventional pasteurization of milk, titer decreases of only 10 <2> to 10 <3> reached.
Example 26
In this experiment, the experimental conditions and procedures of Example 12 were repeated with the change that according to procedure C. E. coli is added to the feed stream and the concentrate is not returned to the treatment vessel. There was an equilibrium milk flow of about 850 l / h / m <2> reached. Samples of the feed, the filtrate and the concentrate were taken for bacterial tests. The results in Table 7 show a titer reduction of more than 10 <6>. The sterile milk was treated until bacteria were no longer detectable in the filtered milk.
This example shows the ability of the method according to the invention to remove almost completely the bacteria from the milk using a disc DMF and a suitably selected membrane. This means that sterile milk can be produced.
Example 27
Unpasteurized raw milk contains a wide range of organisms, including coliforms such as E. coli, pathogens such as Listeria and Campylobacteria and Bacillus cereus bacteria. In this example, the raw milk was not inoculated with external bacteria, but the milk was examined for its own or "natural" bacteria.
For bacterial tests, 18 samples of the feed material, the filtrate and the concentrate were taken during the implementation of the example and examined for naturally occurring bacteria according to method D.
Only 14 bacteria per ml milk were found. The feed contained 2500 bacteria per ml and the concentrate 2 x 10 <4> bacteria per ml. In addition, no psychrophilic bacteria could be detected in the filtrate. Psychrophilic bacteria are those that grow at low temperatures and cause chilled milk to spoil.
Table 7 summarizes experiments 22 to 27. The results show that increased titer reductions are achieved at the expense of the filtrate flow in both the cylinder and disc operating modes. The table also shows that with the right choice of filter it is possible to get a sterile milk filtrate.
<tb> <TABLE> Columns = 9 Table 7
<tb> Head Col 1: Bei-
game number
<tb> Head Col 2: pore
size
(micron)
<tb> Head Col 3: Mem-
brand type
<tb> Head Col 4: through
sectional
flow
(l / h / m <2>)
<tb> Head Col 5: task-
good-
temperature
(DEG C)
<tb> Head Col 6: operational
pressure
(x 10 <5> Pa)
<tb> Head Col 7: task-
well concentrated
tration
(Bakt./ml)
<tb> Head Col 8:% bacteria
rail removal
nung
<tb> Head Col 9:
Titer
reduction TR
<tb> <SEP> 22 <SEP> 0.2 cylinder <SEP> Ultipor N66 <TM> <SEP> 330 <SEP> 50 <CEL AL = L> 2.0 <SEP> 10 <6> (E.coli) <SEP> 99.9992% <SEP> 10 <5>
<tb> <SEP> 23 <SEP> 0.45 cylinder <SEP> Ultipor N66 <TM> <SEP> 1080 <SEP> 50 <SEP> 1.5 <SEP> 10 <6> (E.coli) <SEP> 99.992% <SEP> 4 x 10 <5>
<tb> <SEP> 24 <CEL AL = L> 0.65 cylinder <SEP> Ultipor N66 <TM> <SEP> 1680 <SEP> 50 <SEP> 1.3 <SEP> 10 <6> (E.coli) <SEP> 99.96% <CEL AL = L> 4 x 10 <2>
<tb> <SEP> 25 <SEP> 0.45 disc <SEP> Ultipor N66 <TM> <SEP> 1600 <SEP> 50 <SEP> 0.2 <CEL AL = L> 10 <6> (E.coli) <SEP> 99.9995% <SEP> 8x10 <5>
<tb> <SEP> 26 <SEP> 0.2 disk <SEP> Ultipor N66 <TM> <CEL AL = L> 850 <SEP> 50 <SEP> 0.2 <SEP> 10 <6> (E.coli) <SEP> 100.00% (SEP) <> 10 <6>
<tb> <SEP> 27 <SEP> 0.65 cylinder <SEP> Ultipor N66 <TM> <SEP> 1680 <SEP> 50 <SEP> 1.3 <SEP> 10 <3> (undefined
acts) <SEP> 99.44% <SEP> 2 x 10 <2>
<tb> </TABLE>
Example 28
In addition to the bacteria (E. coli) used in the titer reduction experiments, there are pathogenic organisms (such as listeria) in milk that are really worrying for the milk industry. These pathogens are a much more difficult challenge than the coliform bacteria (E. coli), which were also tested in the dynamic filter. In order to see whether the membrane filter elements used are able to effectively remove pathogens such as listeria, experiments were carried out using the methods described in method D. This test was carried out on a test facility located outside the facility (off-line test rig) and not with a dynamic filter.
The data shown in Table 8 clearly show that a 0.45 μm Ultipor N66 <TM> Membrane with a specific bubble point (ASTM F316-86) enables complete removal of the listeria.
<tb> <TABLE> Columns = 5 Table 8
<tb> Head Col 1: membrane
<tb> Head Col 2: bubble point
<tb> Head Col 3: total allowance on
Listeria bacteria / ml
<tb> Head Col 4: filtrate
Bakt./ml
<tb> Head Col 5: titer reduction
change TR
<tb> <SEP> 0.45 µm, Ultipor N66 <TM> <SEP> 24 psi <SEP> 7.10 x 10 <7> <SEP> 0 (SEP) <> 5 x 10 <6>
<tb> <SEP> 0.45 µm, Ultipor N66 <TM> <SEP> 22 psi <SEP> 6.6 x 10 <7> <SEP> 1 <SEP> 4.7 x 10 <6>
<tb> <CEL AL = L> 0.65 µm, Ultipor N66 <TM> <SEP> 16.5 psi <SEP> 7.10 x 10 <7> <SEP> 7.5 x 10 <3> <SEP> 6.8 x 10 <2>
<tb> </TABLE>
Example 29
Filtered, skimmed milk produced by the method according to Example 16 is collected in a disinfected container.
Commercial cream is heated to 65 ° C. and through a 0.2 micron Ultipor N66 <TM> filter cartridge (available from Pall Corporation, East Hills, NY) with a minimum titer reduction of 10 <6>, achieved with E.coli, filtered. The filtered cream is essentially free of bacteria and is collected in a disinfected container.
The filtered, skimmed milk and the filtered cream are then mixed and homogenized to obtain a milk containing 2% fat with a reduced bacterial content.