Способ разделения безводного жирового вещества на фракции с высокими и низкими температурами плавления и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области масложировой промышленности. Способ включает стадию тангенциальной фильтрации масла или безводного жирового вещества в жидкой гидрофобной фазе через гидрофобную мембрану, приводящую к разделению вышеуказанного масла или жирового вещества на пермеат фильтрации и ретентат фильтрации. Последний представляет собой вышеуказанную фракцию с высокими температурами плавления. Пермеат фильтрации представляет собой вышеуказанную фракцию с низкими температурами плавления. Способ обеспечивает повышение эффективности процесса разделения с наименьшими затратами и без порчи жирового вещества. В устройстве для реализации способа в качестве модуля фильтрации используют модуль тангенциальной фильтрации с гидрофобной мембраной. Гидрофобная мембрана может быть изготовлена из фриттированного металла или из гидрофобного полимера. Гидрофобная мембрана имеет пористость в пределах 0,005 - 1 мкм. 2 с. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

Настоящее изобретение относится к способу разделения масла или безводного жирового вещества в жидкой гидрофобной фазе на фракцию с высокими температурами плавления и фракцию с низкими температурами плавления. Оно также относится к устройству для осуществления этого способа.

Изобретение находит особенно предпочтительное применение при получении сливочного масла с характеристикой консистенции: твердая или мягкая.

В продолжении настоящего описания и по соображениям простоты под жировым веществом понимают как масло, так и собственно жир.

Вообще, жировое вещество, так как оно животного происхождения, как жиры, или растительного происхождения, как масла, в большинстве своем состоит из сложных триэфиров глицерина, называемых триглицеридами, разнообразие и состав которых определяют его специфичность. В том, что касается твердости продуктов, получаемых после бутиризации за счет инверсии фазы, известно, что одним из решающих факторов является соотношение количества триглицеридов с высокими температурами плавления (HPF) к количеству триглицеридов с низкими температурами плавления (BPF). Это соотношение обычно определяют с помощью "индекса твердого жира" ("Solid Fat Index"), или SFI, который представляет собой количество твердых веществ, следовательно, кристаллизованных триглицеридов, при данной температуре. В том, что касается сливочных масел и маргаринов, SFl (20), или содержание твердых жировых веществ при 20^oC, хорошо коррелирует с твердостью, измеряемой как на коническом пенетрометре, так и на испытательной машине INSTPON (заявленная марка). Этот SFI (20), следовательно, может служить технической "мишенью" для приготовления сливочных масел или жиров для определенных употреблений, т.е. в случаях, где либо стремятся к размягчению, приводящему к наилучшему намазыванию тонким слоем вещества, как, например, для улучшения этого в случае зимних сливочных масел; либо, напротив, когда стремятся скорее к наибольшей твердости при повышенной температуре по техническим соображениям использования или для устранения появления конечной "жировой" консистенции, как, например, в случае мучных кондитерских изделий или при производстве печенья.

Вплоть до настоящего времени в способах, позволяющих осуществлять такой контроль, прибегают к двум технологиям: традиционная технология на основе термообработок, предназначенных для изменения равновесий между полиморфными фазами в кристаллизованном жировом веществе. Эти способы позволяют разрешать некоторые затруднения, но ограничены в области применения. Они не позволяют, например, полностью компенсировать сезонное воздействие на твердость сливочных масел; более новая технология, основанная на криогенном фракционировании частично кристаллизованного вещества, путем фильтрации и/или центрифугирования. В европейской заявке на патент, опубликованной под номером EP-A-397 233, описывается способ разделения безводного жирового вещества на фракции при использовании этой технологии. Однако этот способ может быть применен как в рамках чистого безводного жирового вещества, например безводного молочного жирового вещества или БМЖВ, так и в случае растворов таких жиров или масел в обычно полярных растворителях. Разделение, которое сопровождает фракционную кристаллизацию, можно осуществлять, прибегая к двум техническим решениям, как обычная фильтрация, центрифугирование и фильтрация через полупроницаемую мембрану. Этот последний способ особенно предпочтителен для специфических разделений в растворителе, например, с целью извлечения или обогащения отдельным компонентом: холестерин, фосфолипиды и т.д.

Эта технология криофракционирования позволяет получать очень специфические фракции, но ее осуществляют в трудноуправляемой тяжелой (lourd ) аппаратуре и получают дорогостоящие и сильно различающиеся по отношению к подлинному веществу конечные продукты, например сливочное масло. Для достижения частичного изменения FI в сливочном масле в таком случае к нему нужно добавлять значительные количества фракций с высокими или низкими температурами плавления. Такая операция, которая приводит к искомому результату в отношении консистенции, обладает двойным недостатком: сильная денатурация жирового вещества и значительное повышение себестоимости.

Таким образом, конкретно, задачей настоящего изобретения является разработка такого способа разделения безводного жирового вещества в гидрофобной жидкой фазе на фракцию с высокими температурами плавления и фракцию с низкими температурами плавления, который позволяет получать такие же результаты с точки зрения консистенции, как и известный способ криофракционирования, но с меньшими затратами и без порчи самого жирового вещества.

Поставленная задача достигается посредством того, что вышеуказанный способ включает стадию тангенциальной фильтрации безводного жирового вещества в гидрофобной жидкой фазе через гидрофобную мембрану, которая приводит к разделению вышеуказанного вещества на ретентат фильтрации, представляющий собой вышеуказанную фракцию с высокими температурами плавления, и пермеат фильтрации, представляющий собой вышеуказанную фракцию с низкими температурами плавления.

Следовательно, настоящее изобретение можно интерпретировать как способ обогащения одной фракции, пермеата, некоторыми триглицеридами, большей частью с низкими температурами плавления, причем в то же самое время другая фракция, ретентат, обогащается другими триглицеридами, большей частью с высокими температурами плавления. Следует заметить, что, хотя большинство приведенных в настоящем описании примеров относится к маслообразному жировому веществу, способ согласно изобретению дает также представляющие интерес результаты в области растительных или животных масел и жиров.

Обогащение фракций согласно способу разделения изобретения может заключаться в простом нарушении равновесия, позволяющем получать, например, в случае сливочного масла, либо более твердое сливочное масло из ретентат, либо более мягкое сливочное масло из пермеата. Для этой цели полученный ретентат или пермеат смешивают с нежировым веществом, затем подвергают само по себе известной операции бутиризации. Обогащение, однако, можно продолжать вплоть до истинного фракционирования, если степень рециркуляции значительная, а степень извлечения пермеата незначительная. С этой целью предусматривают присоединение ретентата к безводному жировому веществу во время фильтрации.

Таким образом, способ по изобретению из расплавленного безводного жирового вещества, такого как БМЖВ, при фиксированной температуре выше 45^oC позволяет получать по желанию в конце способа сливочное масло с характеристикой либо зимнее сливочное масло, либо летнее сливочное масло. Если фракционирование продолжают, то можно получать жировые вещества со специфическими свойствами для особого использования: специально приготовленный намазываемый молочный продукт, твердые жиры...

Способ по изобретению основан на разделении тримолекулярного типа различных типов триглицеридных молекул в зависимости от их величины, их радиуса вращения в гидрофобной жидкой среде, степени их насыщения, следовательно, их жесткости. Таким образом, способ заключается в разделении, путем тангенциальной фильтрации через гидрофобную мембрану, липидных молекул в жидкой, особенно расплавленной, полностью гидрофобной среде. Используемое жировое вещество должно быть строго безводным, как, например, БМЖВ. Оно должно оставаться расплавленным, например, при температуре выше 45^oC для БМЖВ и лишенным всяких следов воды в течение всего процесса разделения.

Целью является получение в гидрофобной среде разделений такого же типа и такой же эффективности, как и таковые, достигаемые при гидрофильной ультрафильтрации в случае водорастворимых компонентов молока; этого достигают путем полного изменения направления взаимодействий, которые носят гидрофильный характер при классической ультрафильтрации в водной среде. Эти взаимодействия имеют полностью гидрофобный характер в настоящем способе.

Нужно подчеркнуть, что вода особенно вредна в способе изобретения, так как ее присутствие в жировом веществе в жидкой фазе приводит к образованию эмульсии на уровне мембраны и таким образом приводит к очень быстрому засорению, вызывая повышение трансмембранного давления и падение дебита извлечения.

Способ по изобретению, следовательно, применим к жировым веществам в жидкой фазе (масла при средней температуре, или жиры при температуре, выше их температуры плавления, которые должны быть использованы без воды, чтобы получить наиболее гидрофобную среду, в гидрофобной среде и при применении гидрофобной мембраны.

Используемая мембрана должна иметь по возможности наиболее высокий гидрофобный характер, которого достигают, например, при использовании мембран из фриттированного металла или используя сильно гидрофобные полимеры, между прочим, типа тефлона.

Характер пористости мембраны оказывает большее влияние на гидродинамические условия функционирования (трансмембранное давление и дебиты), чем на эффективность и селективность мембраны. В самом деле, во всех случаях диаметр пор (0,005-1,0 мкм) очень намного превышает радиус вращения разделяемых молекул. Тримолекулярность (le tri moleculaire), происходящая в мембране, следовательно, не возникает только вследствие чисто пространственного и флюидизированного эффекта: она является результатом гидрофобного взаимодействия между частицей и поверхностью мембраны, которое выражается в виде дифференциальной адсорбции на этой поверхности, с общим эффектом удерживания или проницаемости в зависимости от рассматриваемой молекулы.

Таким образом, такое взаимодействие зависит сразу от молекулы триглицерида (величина, природа кислот жирного ряда, насыщение, и т.д.) и от мембраны, за счет "косого" направления гидрофобных взаимодействий, которые она способна создавать при контакте с молекулой. Так как эти крайне сложные взаимодействия не идентичны от одной молекулы к другой, то отсюда следует явление искомого разделения.

Кроме того, нужно заметить, что разделение, основанное на этом типе гидрофобного взаимодействия, предпочтительно можно применять в других областях, чем таковая пищевой промышленности, и особенно каждый раз, когда предназначенные для разделения среды являются сильно гидрофобными, как, например, смеси углеводородов, происходящие либо от перегонки нефти, либо от остатков с целью очистки или валоризации.

Нижеследующее описание не ограничивающих объема охраны изобретения примеров, лучше поясняющее существо изобретения и его осуществление, дано со ссылкой на чертежи, на которых: фиг .1 - схема устройства для осуществления способа по изобретению, фиг. 2a - 2d - графики производительности способа изобретения для моно-, ди-, триненасыщенных триглицеридов и для насыщенных триглицеридов.

На фиг. 1 схематически показано устройство для осуществления способа разделения безводного жирового вещества в гидрофобной жидкой фазе,такого как БМЖВ, поддерживаемого при температуре выше 45^oC в баке для запуска (un bac lancement 10), который в представленном варианте осуществления также служит в качестве сборника рециркулируемого ретентата 2, когда его присоединяют к безводному жировому веществу 1 в процессе фильтрации. БМЖВ с помощью насоса 11 направляют в мембранный модуль фильтрации 20, в котором вышеуказанное жировое вещество 1 подвергают тангенциальной фильтрации через гидрофобную мембрану 21, которая может представлять собой наслоение множества элементарных мембран в геометрическом плане, как это имеет место в случае, представленном на фиг. 1. Однако эта особая конфигурация мембраны нисколько не предписывается способом, предметом изобретения, и могут быть использованы любые типы плоских или радиальных наслоений. Мембрану для фильтрации 21 выполняют из фриттированного металла, например из фриттированной нержавеющей стали, или еще из гидрофобных полимеров, как тефлон, и она имеет пористость 0,005-0,1 мкм.

За счет тангенциальной фильтрации, осуществляемой в модуле 20, БМЖВ разделяют на ретентат 2, представляющий собой фракцию с высокими температурами плавления, которую в данном случае рециркулируют в сборник 10, и пермеат 3, представляющий собой фракцию с низкими температурами плавления, который направляют в бак для хранения пермеата 30 через регулировочный вентиль 31, позволяющий изменять трансмембранное давление и, следовательно, дебит извлечения пермеата 3.

Всю совокупность установки обязательно нужно поддерживать при температуре, по крайней мере равной 45^oC в выбранном примере, и нужно тщательно избегать всякого присутствия воды в системе.

Заявитель показал, что с помощью способа изобретения можно получать ретентат 2 и пермеат 3 с SF1 (20) соответственно 33 и 26 из процесса тангенциальной фильтрации БМЖВ со средним SF1 (20), равным 30, в течение 30 минут.

Продолжение способа факультативное: согласно пути A хранящийся в сборнике 1 ретентат 2 направляют с помощью второго насоса 41 в сборник для смещения 40, где его смешивают с нежировым веществом 4, затем охлаждают и устанавливают консистенцию в классической установке для бутиризации, например, путем использования обменников с выровненной поверхностью. Полученное путем A сливочное масло является таковым типа зимнего масла с характеристикой консистенции "твердая", тогда как путь B, осуществляемый таким же образом, приводит к сливочному маслу типа летнего масла с консистенцией "мягкая".

Кроме того, важно заметить, что реальные измеримые изменения состава маслообразного жирового вещества очень незначительны в случае такого результата: следовательно, речь идет всегда о сливочном масле, которое имеет большое значение в плане коммерческого (торгового) интереса.

Промежуточные продукты в отношении консистентных свойств могут быть получены согласно настоящему способу путем соответствующего смешения фракций, полученных путем А или путем В, с первоначальным данным жировым веществом. В самом деле, условия регулирования тангенциальной фильтрации (степень рециркуляции, дебит извлечения) позволяют приходить к более или менее различающимся жировым веществам, причем можно идти от простого нарушения равновесия в отношении SF1 (20) вплоть до истинного фракционирования. Принимая во внимание особые условия обогащения, получаемые с помощью способа согласно изобретению, продукты не имеют характерного профиля известных, суммированных из фракций сливочных масел с "выступами" (epaulements) на уровне высоких температур плавления. Напротив, профиль термограммы этих продуктов аналогичен таковому сливочного масла; различается одно соотношение площади между HPF и BPF, соотношение, которое служит для расчета его SF1.

На фиг. 2a - 2d представлены графики производительности способа согласно изобретению соответственно для моно-, ди-, триненасыщенных триглицеридов и насыщенных триглицеридов. Каждый из этих графиков дает пропорцию, в которой ретентат и пермеат обогащаются или обедняются триглицеридами, в зависимости от их молекулярной массы, и которая является как хорошим индикатором температур плавления, так и сохраняется в молекулах одного и того же типа насыщения.

Формула изобретения

1. Способ разделения масла или безводного жирового вещества, включающий фильтрацию в жидкой гидрофобной фазе через мембрану на фракцию с высокими температурами плавления и фракцию с низкими температурами плавления, отличающийся тем, что фильтрацию в жидкой гидрофобной фазе осуществляют через гидрофобную мембрану тангенциальной фильтрацией с получением ретентата фильтрации - фракции с высокими температурами плавления и пермеата фильтрации - фракции с низкими температурами плавления.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный ретентат присоединяют к маслу или безводному жировому веществу в процессе фильтрации.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что ретентат смешивают с нежировым веществом, затем подвергают операции бутиризации.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что полученный пермеат смешивают с нежировым веществом, затем подвергают операции бутиризации.

5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что разделяют расплавленное безводное жировое вещество животного происхождения.

6. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что разделяют жидкое или расплавленное безводное жировое вещество растительного происхождения.

7. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что разделяют минеральное масло.

8. Устройство для разделения масла или безводного жирового вещества в жидкой гидрофобной фазе на фракцию с высокими температурами плавления и фракцию с низкими температурами плавления, включающее модуль фильтрации, отличающееся тем, что в качестве модуля фильтрации используют модуль тангенциальной фильтрации, имеющий в своем составе гидрофобную мембрану.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что указанную гидрофобную мембрану выполняют из фриттированного металла.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что указанным фриттированным металлом является фриттированная нержавеющая сталь.

11. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что указанную гидрофобную мембрану выполняют из гидрофобного полимера.

12. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что указанным гидрофобным полимером является тефлон.

13. Устройство по любому из пп.8 - 12, отличающееся тем, что указанная мембрана имеет пористость в пределах 0,005 - 1 мкм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3