ITVR990090A1 - INDUSTRIAL PRODUCTION OF LACTOSE SEROPROTEINS AND AN ULTRAPURADE WATER FROM CASEIFICATION SERUM - Google Patents

INDUSTRIAL PRODUCTION OF LACTOSE SEROPROTEINS AND AN ULTRAPURADE WATER FROM CASEIFICATION SERUM Download PDF

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ITVR990090A1
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lactose
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Daniele Pizzichini
Francesco Ruscio
Rosalba Montani
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Cadelmonte Srl
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DESCRIZIONE DESCRIPTION

Titolo: PRODUZIONE INDUSTRIALE DI SIEROPROTEINE, LATTOSIO ED UN’ACQUA ULTRAPURA DAL SIERO DI CASEIFICAZIONE Title: INDUSTRIAL PRODUCTION OF SERUM PROTEINS, LACTOSE AND ULTRA-PURITY WATER FROM CASE-MAKING WHEY

La presente invenzione ha per oggetto la realizzazione di un processo industriale di produzione di sostanze organiche e acqua ultrapura, ottenute attraverso un frazionamento selettivo del siero di latte. L’invenzione si basa sull’impiego di tecnologie separative mediante membrana, in condizioni di esercizio tali da massimizzare il rendimento produttivo e minimizzare i consumi energetici e la produzione di sottoprodotti o reflui di lavorazione. L’invenzione prevede l’impiego in sequenza di flusso delle tecniche di ultrafiltrazione, per il recupero delle sieroproteine; della nanofiltrazione per il recupero del lattosio; e della osmosi inversa per il recupero di una soluzione salina concentrata ed un’acqua ultrapura a basso contenuto in sali e a bassa conducibilità. L’invenzione si riferisce ad un processo industriale che tratta circa 60.000 litri di siero grezzo al giorno. The present invention relates to the realization of an industrial process for the production of organic substances and ultrapure water, obtained through a selective fractionation of the whey. The invention is based on the use of membrane separation technologies, in operating conditions such as to maximize production efficiency and minimize energy consumption and the production of by-products or processing waste. The invention provides for the use of ultrafiltration techniques in flow sequence, for the recovery of whey proteins; nanofiltration for lactose recovery; and reverse osmosis for the recovery of a concentrated saline solution and ultrapure water with a low salt content and low conductivity. The invention refers to an industrial process that treats about 60,000 liters of crude whey per day.

A) Analisi dello stato anteriore della tecnica A) Analysis of the prior state of the art

L’industria lattiero-casearia ed il trattamento del siero di caseificazione The dairy industry and the treatment of dairy whey

Lo smaltimento del siero di latte è stato e costituisce un notevole problema ambientale a causa delle difficoltà oggettive di procedere ad una fase depurativa completa che sia compatibile con i costi della depurazione. Nel recente passato, ogni azienda casearia era dotata di porcilaie, costruite a ridosso dei centri di lavorazione del latte, le quali assorbivano giornalmente il siero come substrato per l’alimentazione zootecnica. Con l’entrata in vigore nel maggio del 1976 della legge Merli sulla tutela delle acque e con i problemi generati dalla salubrità dei caseifici a ridosso delle porcilaie, iniziò un periodo di revisione dei concetti che stavano a supporto di questi sistemi tradizionali di utilizzazione del siero per la zootecnia. Gli allevamenti di maiali dovevano essere integrati con sistemi costosi di depurazione e di trattamento delle deiezioni per cui molte porcilaie aziendali furono abbandonate. I grossi allevamenti suinicoli oggi esistenti in Italia non operano più in funzione del siero residuo dei caseifici, il valore del siero viene azzerato dai costi di trasporto ed il mercato pullula di prodotti alternativi. Oggi il siero di latte in polvere è utilizzato in zootecnia per l’alimentazione dei suini da ingrasso. In altri paesi si polverizza per l’utilizzo in zootecnia o per l’impiego come coadiuvante nel settore dei prodotti da forno, nei derivati del cacao e nell’industria delle carni macinate. Sicuramente però le soluzioni attualmente adottate non sono in sintonia con le caratteristiche nutrizionali del siero. Attualmente il valore economico realizzabile sul mercato del siero per un caseificio è al massimo pari al costo vivo di trasporto e di polverizzazione. Il trattamento depurativo degli effluenti caseari costituisce, soprattutto al Sud, un problema ambientale di non facile soluzione, che tende ad acuirsi a fronte delle nuove normative ambientali che classificano il siero un rifiuto speciale o una materia prima in base alla destinazione d’uso finale. In ogni caso le nostre aziende si trovano ad affrontare una grave emergenza ambientale dovuta alle difficoltà tecnico-economiche dello smaltimento dei reflui. Tutte le recenti normative comunitarie, in particolare la IPPC (76/61 CE) e la nuova legge sulle acque (152 del maggio 99- legge Gallìi), impongono alle aziende produttive la formulazione di un piano dettagliato di trattamento dei reflui, che sia rispettoso dell’ambiente e consenta di incrementare e qualificare la produttività dell’azienda. La preoccupazione che il siero abbia con il tempo un aggravio di costi notevoli per il settore caseario, esiste in quanto il potere inquinante di questo prodotto è talmente alto che nessun tipo di depuratore installato, potrebbe fare fronte allo smaltimento di una sola giornata di produzione. Il siero può rappresentare una fonte di sostanze alimentari nobili se adeguatamente trattato, altrimenti diverrà ben presto il maggior problema dei centri caseari, che sulla via dello smaltimento potrebbe costringere i piccoli e medi caseifici a chiudere, mentre sulla via della valorizzazione potrà diventare una risorsa economica. The disposal of whey has been and is a significant environmental problem due to the objective difficulties of proceeding with a complete purification phase that is compatible with the costs of purification. In the recent past, each dairy farm was equipped with pig sties, built close to the milk processing centers, which absorbed whey daily as a substrate for livestock feeding. With the entry into force in May 1976 of the Merli law on the protection of water and with the problems generated by the healthiness of the dairies close to the pigsties, a period of revision of the concepts that supported these traditional systems for the use of whey began. for animal husbandry. Pig farms had to be integrated with expensive purification and manure treatment systems so many company pigsties were abandoned. The large pig farms existing in Italy today no longer operate on the basis of the residual whey of the dairies, the value of the whey is eliminated by transport costs and the market is teeming with alternative products. Today, powdered whey is used in animal husbandry for feeding fattening pigs. In other countries it is pulverized for use in animal husbandry or for use as an adjuvant in the baked goods sector, in cocoa derivatives and in the minced meat industry. However, the solutions currently adopted are certainly not in tune with the nutritional characteristics of the whey. Currently the economic value achievable on the whey market for a dairy is at most equal to the living cost of transport and pulverization. The purification treatment of dairy effluents constitutes, especially in the South, an environmental problem that is not easy to solve, which tends to worsen in the face of new environmental regulations that classify whey as a special waste or raw material based on its final use. In any case, our companies are facing a serious environmental emergency due to the technical and economic difficulties of waste disposal. All the recent community regulations, in particular the IPPC (76/61 CE) and the new law on water (152 of May 99 - Gallìi law), require production companies to formulate a detailed waste treatment plan, which is respectful of the environment and allows to increase and qualify the productivity of the company. The concern that whey will have an increase in considerable costs for the dairy sector over time, exists because the polluting power of this product is so high that no type of purifier installed could cope with the disposal of a single day of production. Whey can represent a source of noble food substances if properly treated, otherwise it will soon become the major problem of dairy centers, which on the way of disposal could force small and medium dairies to close, while on the way of valorisation it could become an economic resource. .

B) Obiettivo dell’invenzione B) Objective of the invention

L’invenzione è finalizzata all’ottenimento di nuovi prodotti a base di sieroproteine, vitamine, sali minerali e glucidi, di grande interesse nutrizionale e commerciale a partire dal siero di latte per caseifici di medie/piccole dimensioni (sistema Italia). L’invenzione consente di risolvere definitivamente e completamente il problema ambientale di smaltimento del siero, ottenendo un ritorno economico dai prodotti recuperati (proteine, lattosio, acqua ultrapura, sali minerali). Ciò configura l’azienda casearia come “Impresa ambientale” ovvero che trae profitto dalla depurazione di un effluente industriale. L’invenzione consente la trasformazione di un effluente scomodo come il siero, in un’opportunità di mercato derivante dalla commercializzazione dei prodotti recuperati, che rispondono pienamente ai requisiti di commerciali di molti semilavorati e prodotti per l’industria alimentare e farmaceutica. L’invenzione risponde perfettamente ai canoni del modello dì sviluppo sostenibile. The invention is aimed at obtaining new products based on whey proteins, vitamins, mineral salts and carbohydrates, of great nutritional and commercial interest starting from whey for medium / small-sized dairies (Italian system). The invention allows to definitively and completely solve the environmental problem of whey disposal, obtaining an economic return from the recovered products (proteins, lactose, ultrapure water, mineral salts). This configures the dairy company as an "environmental company", that is, it profits from the purification of an industrial effluent. The invention allows the transformation of an inconvenient effluent such as whey, into a market opportunity deriving from the marketing of recovered products, which fully meet the commercial requirements of many semi-finished products and products for the food and pharmaceutical industry. The invention responds perfectly to the canons of the sustainable development model.

Rilevanza europea dell’invenzione European relevance of the invention

Sotto il profilo commerciale il comparto lattiero caseario ha raggiunto in Italia un livello economico piuttosto consistente, 12.000 miliardi/anno di fatturato, mentre risulta assolutamente marginale il settore che si occupa del trattamento del siero, in particolare della commercializzazione dei sottoprodotti derivati. Questa industria è invece molto sviluppata nei paesi del nord Europa come Francia, Olanda, Germania, Belgio, Finlandia, Danimarca. L'Italia, che non produce questi materiali, importa circa 2.500 ton/anno di proteine in polvere derivate dal siero e circa 7.000 ton/anno di lattosio. Le ragioni di questo squilibrio fra produzione di siero, valutata in circa 7 milioni di ton/anno, e forte importazione di derivati, vanno ricercate nelle caratteristiche del nostro sistema produttivo, costituito da piccoli caseifici sparsi in modo uniforme su tutto il territorio nazionale e dal ritardo tecnologico dell'Italia, che si trova ad affrontare problemi strutturali che i paesi europei hanno già risolto. L’industria lattiero-casearia nazionale sta attraversando un periodo di recessione, dovuta alla concorrenza dei partners comunitari ed alle restrizioni sulla produzione di latte imposte dalla U.E. Il mercato nazionale dei prodotti caseari, specie dei latticini e formaggi, sembra aver raggiunto ormai il livello di saturazione, per cui non è prevedibile nel breve termine una crescita dei consumi. Occorre puntare sulla produzione di nuove specialità casearie, cosi da rispondere alle nuove istanze dei consumatori, oggi sempre più orientati verso prodotti naturali, facilmente digeribili, a basso contenuto calorico e di colesterolo e soprattutto di qualità certificata e garantita, ottenibili a partire dai prodotti recuperati secondo il processo proposto. From a commercial point of view, the dairy sector has reached a rather substantial economic level in Italy, 12,000 billion / year of turnover, while the sector dealing with the treatment of whey, in particular the marketing of derived by-products, is absolutely marginal. This industry, on the other hand, is highly developed in northern European countries such as France, Holland, Germany, Belgium, Finland, Denmark. Italy, which does not produce these materials, imports about 2,500 tons / year of whey-derived protein powders and about 7,000 tons / year of lactose. The reasons for this imbalance between whey production, estimated at about 7 million tons / year, and the strong import of derivatives, are to be found in the characteristics of our production system, consisting of small dairies spread evenly throughout the national territory and from technological delay of Italy, which is facing structural problems that European countries have already solved. The national dairy industry is going through a period of recession, due to competition from EU partners and the restrictions on milk production imposed by the E.U. The national market for dairy products, especially dairy products and cheeses, now seems to have reached the level of saturation, so that consumption growth is not foreseeable in the short term. It is necessary to focus on the production of new dairy specialties, so as to respond to the new demands of consumers, today increasingly oriented towards natural products, easily digestible, low in calories and cholesterol and above all of certified and guaranteed quality, obtainable starting from recovered products. according to the proposed process.

C) Analisi dei risultati raggiunti e relativi esempi C) Analysis of the results achieved and related examples

Caratteristiche e proprietà del siero di latte Characteristics and properties of whey

Il siero è il liquido che si separa dal latte dopo il processo di caseificazione e costituisce Γ84-86 % circa del volume di latte trasformato. La qualità del siero, da cui deriva anche il suo valore economico, dipende dalla composizione chimica e dalla sua carica microbica endogena. Il siero dolce (pH 6,0-6, 5) è il più interessante ai fini del recupero dei costituenti organici e delle sieroproteine in particolare. Esso deriva dalla lavorazione di formaggi tipo grana, prevalentemente stagionati, quali il parmigiano e il pecorino. Il siero acido (pH 4, 0-5,0) deriva invece dalla lavorazione di formaggi freschi come mozzarella, mascarpone e robiola o a pasta molle, come lo stracchino. Le condizioni acide di lavorazione generano un siero con una carica batterica più alta rispetto a quella del siero dolce. Anche il siero dolce è un prodotto instabile, soprattutto a causa delle fermentazioni batteriche endogene, costituite principalmente dai batteri lattici, che inducono la trasformazione del lattosio in acido lattico, con abbassamento del pH e conseguente perdita di valore commerciale. Per la notevole variabilità delle produzioni casearie nel nostro Paese, dipendenti dalla composizione del latte di partenza, che varia a sua. volta con la razza dell’animale, le condizioni di alimentazione e al periodo stagionale, si conclude che il siero di caseificazione ha una composizione chimica diversa da un caseificio all’altro. Ciò rende molto difficile la scelta della tecnologia di trasformazione, che deve essere compatibile con la composizione chimica e microbiologica del siero. Solo in queste condizioni si possono recuperare prodotti interessanti dalla lavorazione del siero. Whey is the liquid that separates from milk after the cheese-making process and constitutes approximately 84-86% of the volume of processed milk. The quality of the whey, from which its economic value also derives, depends on the chemical composition and its endogenous microbial load. Sweet whey (pH 6.0-6.5) is the most interesting for the recovery of organic constituents and whey proteins in particular. It derives from the processing of grana-type cheeses, mainly seasoned, such as parmesan and pecorino. The acid whey (pH 4, 0-5,0), on the other hand, derives from the processing of fresh cheeses such as mozzarella, mascarpone and robiola or soft cheeses, such as stracchino. The acidic processing conditions generate a serum with a higher bacterial load than that of sweet whey. Sweet whey is also an unstable product, mainly due to endogenous bacterial fermentations, consisting mainly of lactic bacteria, which induce the transformation of lactose into lactic acid, with a lowering of the pH and consequent loss of commercial value. For the considerable variability of dairy production in our country, depending on the composition of the starting milk, which varies according to its own. once with the breed of the animal, the feeding conditions and the seasonal period, it is concluded that the cheesemaking whey has a different chemical composition from one dairy to another. This makes it very difficult to choose the transformation technology, which must be compatible with the chemical and microbiological composition of the whey. Only under these conditions can interesting products be recovered from whey processing.

Natura, composizione e valore di mercato dei prodotti recuperati. Nature, composition and market value of the recovered products.

Processi e prodotti deH’industria agro-alimentare sono in continua e sostanziale trasformazione per soddisfare le nuove esigenze alimentari del consumatore, sempre più orientato verso prodotti in grado di garantire la massima genuinità con ridotti apporti calorici e buona digeribilità e che presentino una riduzione nell’uso di conservanti, coloranti ed additivi chimici. I prodotti recuperati dal siero di latte, secondo il processo proposto, soddisfano questi requisiti. Processes and products of the agro-food industry are in continuous and substantial transformation to meet the new food needs of the consumer, increasingly oriented towards products capable of guaranteeing maximum authenticity with reduced caloric intake and good digestibility and which present a reduction in use of preservatives, dyes and chemical additives. The products recovered from whey, according to the proposed process, meet these requirements.

Sieroproteine Whey proteins

Nell’organismo umano le proteine svolgono molteplici funzioni (strutturali, trasportatrici, In the human body, proteins perform multiple functions (structural, transporters,

regolatrici di reazioni biochimiche, etc.). La molecola proteica è costituita da aminoacidi regulators of biochemical reactions, etc.). The protein molecule is made up of amino acids

e le sieroproteine contengono tutti gli aminoacidi essenziali, ossia quelli che l’organismo and whey proteins contain all the essential amino acids, that is, those that the body does

non è in grado di sintetizzare, dovendo quindi assumerli solo attraverso gli alimenti. Le it is not able to synthesize, therefore having to take them only through food. The

proteine del siero hanno pertanto un valore biologico molto elevato. whey proteins therefore have a very high biological value.

Tabella 1- Confronto fra il valore biologico di alcune proteine alimentari Table 1- Comparison between the biological value of some dietary proteins

(*) NET (Net Protein Utilization) (*) NET (Net Protein Utilization)

Per creare prodotti commercializzabili, accanto alle proprietà nutrizionali delle proteine To create marketable products, alongside the nutritional properties of proteins

vanno attentamente soppesate le cosiddette proprietà funzionali. Sotto questo profilo, le the so-called functional properties must be carefully weighed. In this respect, the

sieroproteine presentano proprietà di grande interesse; in particolare: whey proteins have properties of great interest; in particular:

• elevata solubilità in acqua; • high solubility in water;

• stabilità in un ampio intervallo di pH (2-10); • stability over a wide pH range (2-10);

• elevata capacità di idratazione; • high hydration capacity;

• proprietà schiumogene; • foaming properties;

• montabilità a neve; • snow mountable;

• proprietà emulsionanti; • emulsifying properties;

• formazione di gel; • gel formation;

• formazione di fibre. • formation of fibers.

Sulla base delle proprietà citate e considerato il contenuto vitaminico del siero, è possibile Based on the properties mentioned and considered the vitamin content of the serum, it is possible

realizzare una vasta gamma di specialità alimentari, nelle quali la componente sieroproteica, create a wide range of food specialties, in which the whey protein component,

vitaminica, salina e giuridica costituiscono elementi essenziali del prodotto finito. In particolare, le indicate proprietà funzionali, cui è legata la gamma delle possibili utilizzazioni delle sieroproteine, hanno reso possibile l’individuazione di alcuni prodotti tipo: vitaminic, saline and legal are essential elements of the finished product. In particular, the indicated functional properties, to which the range of possible uses of whey proteins is linked, have made it possible to identify some products such as:

• formulati solidi o liquidi per l alimentazione infantile (baby foods); • solid or liquid formulations for infant feeding (baby foods);

• prodotti dietetici (a basso contenuto di grassi, colesterolo e calorie); • diet products (low in fat, cholesterol and calories);

• prodotti ipoallergenici; • hypoallergenic products;

• prodotti per patologie alimentari (hospital foods); • products for food pathologies (hospital foods);

• prodotti liquidi digeribili ed isotonici. • digestible and isotonic liquid products.

Le sieroproteine presentano proprietà schiumogene molto spiccate, da cui derivano emulsioni stabili di ingredienti alimentari in miscela. Ciò in ragione del carattere idrofilico e idrofobico delle molecole proteiche, che permette la preparazione di creme, maionesi e prodotti dolciari in generale. Nel processo di frazionamento del siero considerato si ottiene una polvere proteica al 63 % rispetto al peso secco della polvere. Per ottenere composizioni più ricche in proteine è necessario aumentare il rapporto di concentrazione volumetrica in UF, oppure applicando la tecnica di diafiltrazione. La diafiltrazione consiste nell'aggiungere acqua alle sieroproteine concentrate e ultrafiltrare (diafiltrare) in modo che il lattosio venga estratto nel permeato, mentre le proteine si concentrano nel retentato. Le operazioni di concentrazione ed essiccamento delle sieroproteine potrebbero essere eliminate qualora si desideri ottenere altri formulati proteici in soluzione o si voglia produrre ricotta. In quest'ultimo caso la soluzione concentrata in UF può essere direttamente riscaldata a 85-90 °C per ottenere un prodotto di particolare valore commerciale. The whey proteins have very strong foaming properties, which result in stable emulsions of mixed food ingredients. This is due to the hydrophilic and hydrophobic character of the protein molecules, which allows the preparation of creams, mayonnaise and confectionery products in general. In the fractionation process of the considered whey, a protein powder at 63% with respect to the dry weight of the powder is obtained. To obtain compositions richer in proteins it is necessary to increase the volumetric concentration ratio in UF, or by applying the diafiltration technique. Diafiltration consists in adding water to the concentrated whey proteins and ultrafiltrating (diafiltrating) so that the lactose is extracted in the permeate, while the proteins are concentrated in the retentate. The operations of concentration and drying of the whey proteins could be eliminated if you want to obtain other protein formulations in solution or if you want to produce ricotta. In the latter case, the solution concentrated in UF can be directly heated to 85-90 ° C to obtain a product of particular commercial value.

Lattosio Lactose

11 lattosio è presente nel siero del latte in concentrazioni variabili stagionalmente fra 4,2-5,2 %. La molecola è presente in due forme anomeriche in equilibrio. A seconda del processo di trattamento del siero è possibile ottenere: lα -lattosio idrato con una molecola d’acqua, per cristallizzazione da una soluzione sovrassatura ad una temperatura Lactose is present in whey in concentrations that vary seasonally between 4.2-5.2%. The molecule is present in two anomeric forms in equilibrium. Depending on the whey treatment process, it is possible to obtain: lα -lactose hydrate with a water molecule, by crystallization from a supersaturated solution at a temperature

inferiore a 95°C od il β-lattosio, per cristallizzazione ad una temperatura superiore a below 95 ° C or β-lactose, by crystallization at a temperature above

93,5 °C. Le proprietà chimico-fisiche del lattosio, trasformabile con un processo 93.5 ° C. The chemical-physical properties of lactose, which can be transformed with a process

enzimatico in glucosio, sono correlate direttamente alle sue applicazioni nel settore enzymatic into glucose, are directly related to its applications in the sector

alimentare e farmaceutico. Le principali proprietà funzionali del lattosio sono quelle di food and pharmaceutical. The main functional properties of lactose are those of

seguito indicate: indicated below:

• aumento della dolcezza degli alimenti, in particolare confetture, salse etc; • increase in the sweetness of foods, in particular jams, sauces etc;

• aumento della consistenza (compattezza) di preparati alimentari; • increase in the consistency (compactness) of food preparations;

• elevate proprietà di solubilità in preparati alimentari (gelati, snack, prodotti da forno); • elevato assorbimento di sostanze aromatiche o responsabili di aromi e sapori, • high solubility properties in food preparations (ice cream, snacks, baked goods); • high absorption of aromatic substances or substances responsible for aromas and flavors,

• effetto nutrizionale e calorico; • nutritional and caloric effect;

• fermentazione specifica; • specific fermentation;

• substrato farmaceutico per preparazione di pastiglie o specialità farmaceutiche; • pharmaceutical substrate for the preparation of tablets or pharmaceutical specialties;

• proprietà emulsionanti per prodotti da forno; • emulsifying properties for bakery products;

• stabilizzante delle strutture di proteine, in particolare della caseina del latte. • stabilizer of protein structures, in particular of milk casein.

Sali Salts

I sali sono una componente di valore economico variabile a seconda dell’impiego finale. Ad Salts are a component of variable economic value depending on the final use. To

esempio alto se utilizzati come integratori salini per bevande, basso se usati per la salamoia di example high when used as a saline supplement for beverages, low when used for brine

caseificazione. cheese making.

Acqua Waterfall

L'acqua ricavata dal processo di osmosi inversa, presenta una composizione chimica The water obtained from the reverse osmosis process has a chemical composition

particolarmente interessante poiché ha un basso contenuto di sali minerali, con un particularly interesting since it has a low content of mineral salts, with a

rapporto NaTK+ invertito rispetto alle comuni acque minerali (0,38 rispetto a 2-4), è inverted NaTK + ratio compared to common mineral waters (0.38 compared to 2-4), is

comunque priva di carica batterica e di altri contaminanti organici. A questo livello di in any case, free of bacterial load and other organic contaminants. At this level of

purezza, può essere impiegata sia come prodotto industriale a basso contenuto salino che purity, it can be used both as an industrial product with a low salt content and

come acqua per uso alimentare (produzione bevande od integratori) o come soluzione di base per preparati cosmetici e/o farmaceutici. Per essere sterile quest’acqua necessita di una filtrazione su filtri assoluti (es. 0,4 micron) come da normativa specifica. as water for food use (production of beverages or supplements) or as a base solution for cosmetic and / or pharmaceutical preparations. To be sterile, this water requires filtration on absolute filters (e.g. 0.4 microns) as per specific legislation.

Prodotti derivati Derivative products

Le specialità alimentari ottenibili, a partire dalle componenti del siero (sieroproteine e lattosio), rientrano nella gamma degli “alimenti/prodotti funzionati”. Nel lessico specialistico, con il suddetto termine si intende indicare la classe di prodotti in cui le diverse componenti (proteine, vitamine e glucidi) sono combinate in modo innovativo rispetto a quanto si trova in natura, al fine di rispondere più efficacemente alle nuove esigenze del consumo. A partire da proteine allo stato puro, quali appunto le sieroproteine estratte dal siero, è possibile produrre alimenti bilanciati dal punto di vista energetico, di gradevole sapore e giusta voluminosità. The food specialties that can be obtained, starting from the whey components (whey proteins and lactose), fall within the range of “processed foods / products”. In the specialized lexicon, the aforementioned term means to indicate the class of products in which the different components (proteins, vitamins and carbohydrates) are combined in an innovative way compared to what is found in nature, in order to respond more effectively to the new needs of the consumption. Starting from pure proteins, such as whey extracted from whey, it is possible to produce foods that are balanced from an energy point of view, with a pleasant taste and the right volume.

Il processo di frazionamento The fractionation process

Il nuovo processo prevede un frazionamento selettivo delle componenti organiche e inorganiche del siero, impiegando tecnologie di membrana accoppiate fra loro per ottenere la massima selettività verso i soluti, e conseguentemente la migliore resa produttiva. Lo schema riportato (Tavola 1) riassume gli stadi di trattamento a membrana che nell'ordine sono: l’ultrafiltrazione (UF), la nanofiltrazione (NF) e l’osmosi inversa (01). Dopo la fase di centrifugazione che ha lo scopo di rimuovere le componenti grasse e le frazioni di coaguli caseinici presenti nel siero, si passa alla pastorizzazione, quindi il prodotto viene inviato al frazionamento con membrane. La prima fase di UF prevede la concentrazione delle sieroproteine (retentato), mentre si ottiene un permeato costituito sostanzialmente dal lattosio, sali minerali e frazioni proteiche a basso peso molecolare (amminoacidi, peptoni) . The new process involves a selective fractionation of the organic and inorganic components of the whey, using membrane technologies coupled together to obtain the maximum selectivity towards the solutes, and consequently the best production yield. The diagram shown (Table 1) summarizes the membrane treatment stages which in order are: ultrafiltration (UF), nanofiltration (NF) and reverse osmosis (01). After the centrifugation phase which has the purpose of removing the fatty components and the fractions of casein clots present in the whey, the pasteurization is carried out, then the product is sent to fractionation with membranes. The first phase of UF involves the concentration of whey proteins (retentate), while a permeate is obtained substantially consisting of lactose, mineral salts and low molecular weight protein fractions (amino acids, peptones).

Sezione di UF Section of UF

Nel processo si impiegano moduli di UF con cut-off di circa 10-20 Kdalton. Il VCR (volume concentration ratio) rappresenta il rapporto volumetrico di concentrazione fra il volume di alimento e quello del concentrato, è stato fissato nell’intervallo 8-10. Dall'UF si raccoglie un permeato limpido di colore giallo che viene destinato alla produzione di lattosio in polvere, ma che presenta altre interessanti alternative commerciali: l'industria delle bevande, quella biochimica delle trasformazioni in acido lattico, glucosio e galattosio, lattulosio, alcool. The process uses UF modules with a cut-off of about 10-20 Kdalton. The VCR (volume concentration ratio) represents the volumetric ratio of concentration between the volume of food and that of the concentrate, has been set in the range of 8-10. A clear yellow permeate is collected from the UF which is destined for the production of lactose powder, but which presents other interesting commercial alternatives: the beverage industry, the biochemical industry of transformations into lactic acid, glucose and galactose, lactulose, alcohol .

Sezione di NF Section of NF

Ha lo scopo di concentrare il lattosio da 45-49 g/1 fino a circa 150-190 g/1, operando con un rapporto volumetrico di concentrazione (VCR) di circa 4, ad una pressione di esercizio di circa 20-25 bar. Its purpose is to concentrate lactose from 45-49 g / 1 up to about 150-190 g / 1, operating with a volumetric concentration ratio (VCR) of about 4, at an operating pressure of about 20-25 bar.

Sezione di OI Section of OI

Il permeato di NF viene inviato alla sezione di OI per ottenere prodotti come l'acqua ultra-pura ed una soluzione salina. Il processo viene condotto ad una pressione di 25-30 bar, impiegando moduli ad alta reiezione salina; il VCR ottimale è valutato intorno a 4-5. ESEMPI The NF permeate is sent to the OI section to obtain products such as ultra-pure water and a saline solution. The process is carried out at a pressure of 25-30 bar, using modules with high saline rejection; the optimal VCR is rated around 4-5. EXAMPLES

Si riportano di seguito una serie di esempi applicativi dell’invenzione in diverse condizioni operative, a scopo puramente illustrativo. Tutte le applicazioni sono state realizzate a partire da un alimento (siero dolce di caseificazione) che presentava la composizione chimica media riportata in tabella 2. Per ciascuno degli esempi si riportano le caratteristiche dei prodotti ottenuti variando i parametri operativi relativi ai tre diversi stadi di filtrazione in sequenza (UF,NF,OI). Below is a series of application examples of the invention in different operating conditions, for illustrative purposes only. All the applications were carried out starting from a food (sweet cheesemaking whey) that had the average chemical composition shown in table 2. For each of the examples, the characteristics of the products obtained are shown by varying the operating parameters relating to the three different filtration stages. in sequence (UF, NF, OI).

Tabe! la 2. Composizionemedia del siero dolce Tabe! 2. Average composition of sweet whey

La carica batterica riportata in tabella 2 è riferita al siero non pastorizzato. Nel processo di pastorizzazione a 75°C per 15 secondi, tale carica si riduce del 99,6 %.La pastorizzazione si rende necessaria qualora si voglia riutilizzare il concentrato per scopi alimentari, in ogni caso tale processo è raccomandabile anche per ridurre le fermentazioni lattiche. The bacterial load reported in table 2 refers to unpasteurized whey. In the pasteurization process at 75 ° C for 15 seconds, this charge is reduced by 99.6%. Pasteurization is necessary if you want to reuse the concentrate for food purposes, in any case this process is also recommended to reduce lactic fermentations .

ESEMPIO N°1 EXAMPLE N ° 1

Stadio di Ultrafiltrazione Ultrafiltration stage

Volume di siero trattato: 2000 litri, durata della prova 400 minuti. Si riportano in tabella 1. 1 le specifiche del processo ed in tabella 1.2 alcuni dati relativi alla composizione chimica dei prodotti ottenuti dallo stadio di UF. Volume of treated serum: 2000 liters, test duration 400 minutes. The specifications of the process are reported in table 1. 1 and in table 1.2 some data relating to the chemical composition of the products obtained from the UF stage.

Tabella 1.1- Specifiche del processo Tabella 1.2- Composizione Analitica di UF dei prodotti l F Table 1.1- Process specifications Table 1.2- Analytical composition of UF of the products l F

* Jp (flusso medio di permeato); * Jp (average permeate flow);

**Pm (pressione media); ** Pm (average pressure);

***VCR (fattore di concentrazione); *** VCR (concentration factor);

****Vs (velocità di scorrimento). **** Vs (scrolling speed).

Stadio di Nanofiltrazione Nanofiltration stage

L’alimento è costituito dal permeato di UF. Volume trattato: 1800 litri, durata della prova The food consists of UF permeate. Volume treated: 1800 liters, duration of the test

230 minuti. 230 minutes.

Tabella 1.3- Specifiche del processo Tabella 1.4- Composizione Analitica di NF Table 1.3- Process specifications Table 1.4- Analytical composition of NF

dei prodotti N F of products N F

* Jp (flusso medio di permeato); * Jp (average permeate flow);

**Pm (pressione media); ** Pm (average pressure);

***VCR (fattore di concentrazione); *** VCR (concentration factor);

****Vs (velocità di scorrimento). **** Vs (scrolling speed).

Stadio di Osmosi Inversa Reverse Osmosis stage

Vengono trattati 1300 litri di permeato ottenuti dallo stadio di nanofiltrazione, durata della prova 175 minuti. Si riportano di seguito i relativi dati di processo e la composizione chimica dei prodotti ottenuti dallo stadio di 01. 1300 liters of permeate obtained from the nanofiltration step are treated, duration of the test 175 minutes. The relative process data and the chemical composition of the products obtained from stage 01 are reported below.

Tabella 1.5- Specifiche del processo Tabella 1.6- Composizione Analitica di OI dei prodotti OI Table 1.5- Process specifications Table 1.6- Analytical composition of OI of OI products

* Jp (flusso medio di permeato); * Jp (average permeate flow);

**Pm (pressione inedia); ** Pm (early pressure);

***VCR (fattore di concentrazione); *** VCR (concentration factor);

****Vs (velocità di scorrimento). **** Vs (scrolling speed).

ESEMPIO N°2 EXAMPLE N ° 2

Stadio di Ultrafiltrazione Ultrafiltration stage

Volume di siero trattato: 5 m3, durata della prova 460 minuti. Volume of treated serum: 5 m3, test duration 460 minutes.

Nelle tabelle 2.1 e 2.2 si riportano rispettivamente i dati relativi alle specifiche di processo e la composizione analitica dei prodotti. Tables 2.1 and 2.2 respectively show the data relating to the process specifications and the analytical composition of the products.

Tabella 2.1- Specifiche del processo Tabella 2.2- Composizione Analitica di UF Table 2.1- Process specifications Table 2.2- Analytical composition of UF

* Jp (flusso medio di permeato); * Jp (average permeate flow);

**Pm (pressione media); ** Pm (average pressure);

***VCR (fatore di concentrazione); *** VCR (concentration factor);

****Vs (velocità di scorrimento). **** Vs (scrolling speed).

Stadio di Nanofiltrazione Nanofiltration stage

L’alimento è costituito dal permeato di UF. Volume trattato: 4,5 m3, durata 310 minuti. The food consists of UF permeate. Volume treated: 4.5 m3, duration 310 minutes.

Tabella 2.3- Specifiche del processo Tabella 2.4- Composizione Analitica di NF Table 2.3- Process specifications Table 2.4- Analytical composition of NF

* Jp (flusso medio di permeato); * Jp (average permeate flow);

**Pm (pressione media); ** Pm (average pressure);

***VCR (fattore di concentrazione); *** VCR (concentration factor);

****Vs (velocità di scorrimento). **** Vs (scrolling speed).

Stadio di Osmosi Inversa Reverse Osmosis stage

Vengono trattati 3,2 m3 di permeato ottenuti dallo stadio di nanofiltrazione, durata della prova 210 minuti. 3.2 m3 of permeate obtained from the nanofiltration step are treated, duration of the test 210 minutes.

Tabella 2.5- Specifiche del processo di Tabella 2.6- Composizione Analitica OI dei prodotti OI _ _ Table 2.5- Process specifications of Table 2.6- OI analytical composition of OI products _ _

* Jp (flusso medio di permeato); * Jp (average permeate flow);

**Pm (pressione media); ** Pm (average pressure);

***VCR (fattore di concentrazione); *** VCR (concentration factor);

****Vs (velocità di scorrimento). **** Vs (scrolling speed).

Esempio N°3 Example N ° 3

Stadio di Ultrafiltrazione Ultrafiltration stage

Volume di siero trattato: 25m3 quintali, durata della prova 510 minuti. Si riportano nelle tabelle le specifiche del processo ed i dati relativi alla composizione chimica dei prodotti ottenuti dallo stadio di UF. Volume of treated serum: 25m3 quintals, duration of the test 510 minutes. The process specifications and data relating to the chemical composition of the products obtained from the UF stage are reported in the tables.

Tabella 3.1- Specifiche del processo Tabella 3.2- Composizione Analitica di UF dei prodotti l F Table 3.1- Process specifications Table 3.2- Analytical composition of UF of the products l F

* Jp (flusso medio di permeato); * Jp (average permeate flow);

**Pm (pressione media); ** Pm (average pressure);

***VCR (fattore di concentrazione); *** VCR (concentration factor);

****Vs (velocità di scorrimento). **** Vs (scrolling speed).

Stadio di nano filtrazione Nano filtration stage

L’alimento è costituito dal permeato di UF. Volume trattato: 215 quintali, durata 350 minuti. The food consists of UF permeate. Volume treated: 215 quintals, duration 350 minutes.

Tabella 3.3- Specifiche del processo Tabella 3.4- Composizione Analitica di NF d Table 3.3- Process specifications Table 3.4- Analytical composition of NF d

ei prodotti NF and NF products

* Jp (flusso medio di permeato); * Jp (average permeate flow);

**Pm (pressione media); ** Pm (average pressure);

***VCR (fattore di concentrazione); *** VCR (concentration factor);

****Vs (velocità di scorrimento). **** Vs (scrolling speed).

Stadio di Osmosi Inversa Reverse Osmosis stage

Vengono trattati 17 m3 di permeato ottenuti dallo stadio di nanofiltrazione, durata della 17 m3 of permeate obtained from the nanofiltration stage are treated, duration of the

prova 450 minuti. try 450 minutes.

Tabella 3.5- Specifiche del processo Tabella 3.6- Composizione Analitica di OI dei prodotti OI Table 3.5- Process specifications Table 3.6- Analytical composition of OI of OI products

* Jp (flusso medio di permeato); * Jp (average permeate flow);

**Pm (pressione media); ** Pm (average pressure);

***VCR (fattore di concentra/ione); *** VCR (concentration factor / ion);

****Vs (velocità di scorrimento). **** Vs (scrolling speed).

Claims (2)

RIVENDICAZIONI 1. L'impiego dell'invenzione nel settore lattiero caseario, in particolare per recuperare dal siero di caseificazione, sieroproteine, lattosio, sali minerali ed acqua ultrapura, in modo da ottenere un processo ad impatto ambientale trascurabile. 2. L'impiego delle tecniche di UF, NF ed 01 in sequenza come descritto nell’invenzione in modo da massimizzare il recupero delle componenti del siero. 3. L'impiego delle tecniche di UF, NF ed 01 in sequenza come riportato in Tavola 1, poiché costituiscono le condizioni di massima produttività, di minor consumo energetico e di minor consumo di reattivi per il ricondizionamento delle membrane oltre che di qualificazione commerciale dei prodotti. 4. La composizione chimica delle sieroproteine recuperate come riportato nelle tabelle presentate, vedi in particolare la tabelle 1.2 e 2.2 e 3.CLAIMS 1. The use of the invention in the dairy sector, in particular to recover whey proteins, lactose, mineral salts and ultrapure water from the cheese-making whey, in order to obtain a process with negligible environmental impact. 2. The use of UF, NF and 01 techniques in sequence as described in the invention in order to maximize the recovery of the whey components. 3. The use of the techniques of UF, NF and 01 in sequence as reported in Table 1, since they constitute the conditions of maximum productivity, lower energy consumption and lower consumption of reagents for the reconditioning of the membranes as well as commercial qualification of the products. 4. The chemical composition of the recovered whey proteins as reported in the tables presented, see in particular tables 1.2 and 2.2 and 3. 2. Inoltre, la composizione proteica può essere variata operando sulle condizioni di esercizio (in particolare attraverso la diafiltrazione) per attestarsi ad un valore percentuale proteico dal 50% al 90% (sul secco). 5. L’accoppiamento delle tecnologie a membrana descritte nell’invenzione con processi di finitura di sieroproteine e lattosio in essiccati; in particolare il lattosio cristallino tramite evaporazione, concentrazione ed essiccamento del prodotto (sino al 3% di umidità) e le sieroproteine in polvere, previo trattamento mediante spray drier. 6. Le condizioni operative degli impianti di ultrafiltrazione, nanofiltrazione ed osmosi inversa, come di seguito riportato. 7. Per l’Ultrafiltrazione: Schema di processo - Alimentazione tipo: Feed and bleed a cascata, impianti a due rampe in serie con 12 pressure vessel di 3 moduli; in questo caso, la necessaria pressione transmembrana viene ottenuta, per una data portata di alimento, tramite restrizione delle valvole del retentato. Tale sistema presenta il vantaggio di fornire una produttività più alta del sistema filtrante, per effetto di un flusso medio di permeato più elevato e stabile nel tempo. In questo stadio si rivendica: la geometria del modulo spiralata (dimensioni: 4”x 40”; 6”x40”; 8”x40”) e le seguenti variabili: Portata di alimentazione: 2500-3000 1/h; Flusso di permeato: 2100-2700 1/h; VCR : 8-12; Temperatura 17-30 °C; Pressione di esercizio. 3-6 bar; velocità di scorrimento 0,6-2 m/s. 8. Per la Nanofiltrazione: Schema di processo- Alimentazione tipo: Feed and bleed a cascata, impianti a due rampe in serie con 6 pressure vessel di 3 moduli. Spiralati. In questo stadio si rivendica : la geometria del modulo spiralata (dimensioni: 4”x 40”, 6”x40”; 8”x40”) e le seguenti condizioni operative: Portata di alimentazione: 3000-3500 1/h; Flusso di permeato: 2200-2600 1/h; VCR : 4-5; Temperatura 17-30 DC; Pressione di esercizio: 15-20 bar; velocità di scorrimento 2-3 m/s. 9. Per l’Osmosi Inversa: Schema di processo-Alimentazione tipo: un passaggio a ricircolo, impianto a una rampa con 4 pressure vessel di 2 moduli spiralati 4”x 40”. . In questo stadio si rivendicano le seguenti condizioni operative: Portata di alimentazione: 2300-2500 1/h; Flusso di permeato: 1700-20001/h VCR :4-5; Temperatura 17-30 °C; Pressione di esercizio: 25-30 bar; velocità di scorrimento 3-4 m/s. 2. Furthermore, the protein composition can be varied by operating on the operating conditions (in particular through diafiltration) to settle at a protein percentage value from 50% to 90% (dry). 5. The coupling of the membrane technologies described in the invention with whey protein and lactose finishing processes in dried; in particular crystalline lactose through evaporation, concentration and drying of the product (up to 3% humidity) and whey protein powder, after treatment with spray drier. 6. The operating conditions of the ultrafiltration, nanofiltration and reverse osmosis plants, as reported below. 7. For Ultrafiltration: Process diagram - Feeding type: Feed and bleed in cascade, two-ramp systems in series with 12 pressure vessels of 3 modules; in this case, the necessary transmembrane pressure is obtained, for a given feed flow rate, by restricting the valves of the retentate. This system has the advantage of providing a higher productivity of the filtering system, due to a higher and more stable average flow of permeate over time. In this stage it is claimed: the geometry of the spiral module (dimensions: 4 "x 40"; 6 "x40"; 8 "x40") and the following variables: Feed rate: 2500-3000 1 / h; Permeate flow: 2100-2700 1 / h; VCR: 8-12; Temperature 17-30 ° C; Operating pressure. 3-6 bar; sliding speed 0,6-2 m / s. 8. For Nanofiltration: Process scheme - Feeding type: Feed and bleed in cascade, two-ramp systems in series with 6 pressure vessels of 3 modules. Spiraled. In this stage it is claimed: the geometry of the spiral module (dimensions: 4 "x 40", 6 "x40"; 8 "x40") and the following operating conditions: Feed rate: 3000-3500 1 / h; Permeate flow: 2200-2600 1 / h; VCR: 4-5; Temperature 17-30 DC; Operating pressure: 15-20 bar; sliding speed 2-3 m / s. 9. For Reverse Osmosis: Process scheme-Power supply type: a recirculation passage, one-ramp system with 4 pressure vessels of 2 spiral modules 4 "x 40". . At this stage, the following operating conditions are claimed: Feed rate: 2300-2500 1 / h; Permeate flow: 1700-20001 / h VCR: 4-5; Temperature 17-30 ° C; Operating pressure: 25-30 bar; sliding speed 3-4 m / s.
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