способ фракционирования жировой композиции и способ снижения в ней содержания бактерий

Формула изобретения

1. Способ фракционирования жировой композиции, содержащей смесь жирных глицеридов, на две и более фракций, предусматривающий нагревание до температуры, при которой все жирные глицериды находятся в жидком состоянии, охлаждение сжиженной жировой композиции до заранее определенной температуры, при которой часть жирных глицеридов находится в виде твердых частиц, и фильтрацию полученной суспензии, отличающийся тем, что охлаждение ведут со скоростью не менее 0,5^oС/мин до получения суспензии с кристаллами, размер частиц которых составляет 0,1 50 мкм, и подвергают ее динамической микрофильтрации с получением первого фильтрата, не содержащего кристаллов, и первого концентрата, имеющего высокое содержание кристаллов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что фильтрат сохраняет вкусовые ароматические характеристики исходной жировой композиции.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что жировой композицией является полутвердый жир.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что фильтрацию осуществляют через микропористый фильтр с эффективным диаметром пор 0,2 0,65 мкм.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что динамическую микрофильтрацию осуществляют через мембрану фильтра со скоростью потока не менее 45,36 кг/ч/м²(100 фунт/ч/м²).

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что период от начала охлаждения до удаления жирных глицеридов в виде кристаллов составляет около 1 ч или менее.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что жировую композицию нагревают до температуры около 45 75^oС.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что жировую композицию поддерживают при повышенной температуре менее 10 мин.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первый концентрат нагревают до температуры, при которой все его компоненты находятся в жидком состоянии, охлаждают ожиженный первый концентрат до заранее определенной температуры, при которой по меньшей мере часть жирных глицеридов находится в виде твердых частиц, причем упомянутое охлаждение осуществляют со скоростью не менее 2^oС/мин, чтобы получить суспензию кристаллов упомянутой части жирных глицеридов, причем эти кристаллы имеют размер около 0,1 50 мкм, а затем полученную суспензию фильтруют с образованием второго фильтрата, по существу, не содержащего упомянутых кристаллов, и второго концентрата, содержащего более высокие концентрации этих кристаллов.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что повторяют процедуру фракционирования с вторым концентратом с образованием третьего фильтрата и третьего концентрата.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что исходную жировую композицию выбирают из группы, состоящей из бабассу, касторового масла, масла кокосовых орехов, кукурузного масла, хлопкового масла, льняного масла, oiticica, оливкового масла, пальмового масла, масла пальмовых ядер, арахисового масла, рапсового масла, масла сафлора, сезамового масла, соевого масла, подсолнечного масла, масла из рисовых отрубей, tsubaki, масла периллы, масла семян hemo, масла капока, масла из семян чая, тунгового масла, полутвердого животного (сливочного) масла, свиного сала, таллового масла, китового жира, селедочного масла, сардинового жира и менхэденового масла.

12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед стадией фильтрации фильтр сначала насыщают гидрофобным материалом, воду добавляют в ожиженную жировую композицию перед фильтрацией и ожиженную жировую композицию, содержащую упомянутую воду, фильтруют посредством фильтра, предварительно насыщенного гидрофобным материалом, причем фильтрацию осуществляют при давлении, не превышающем критическое давление прорыва, при котором гидрофобный материал будет вытесняться с фильтра и вода начнет просачиваться через него.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что жировую композицию выбирают из группы, состоящей из бабассу, касторового масла, масла кокосовых орехов, кукурузного масла, хлопкового масла, льняного масла, oiticica, оливкового масла, пальмового масла, масла пальмовых ядер, арахисового масла, рапсового масла, масла сафлора, сезамового масла, соевого масла, подсолнечного масла, масла из рисовых отрубей, tsubaki, масла периллы, масла семян hemo, масла капока, масла из семян чая, тунгового масла, полутвердого животного (сливочного) масла, свиного сала, таллового масла, китового жира, селедочного масла, сардинового жира и менхэденового масла.

14. Способ снижения содержания бактерий в жировой композиции, предусматривающий нагревание жировой композиции до температуры, при которой все жирные глицериды находятся в жидком состоянии, и фильтрование ожиженной жировой композиции, отличающийся тем, что фильтрование осуществляют с использованием динамической микрофильтрации, чтобы получить первый фильтрат, содержащий низкую концентрацию микроорганизмов, и первый концентрат, содержащий более высокую концентрацию микроорганизмов.

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что фильтрат сохраняет вкусовые и ароматические характеристики исходной жировой композиции.

16. Способ по п. 14, отличающийся тем, что жировой композицией является сливочное масло.

17. Способ по п. 14, отличающийся тем, что ожиженную жировую композицию фильтруют через микропористый фильтр с эффективным размером пор примерно 0,2

0,65 мкм.

18. Способ по п. 14, отличающийся тем, что жировую композицию выбирают из группы, состоящей из бабассу, касторового масла, масла кокосовых орехов, кукурузного масла, хлопкового масла, льняного масла, oiticica, оливкового масла, пальмового масла, масла пальмовых ядер, арахисового масла, рапсового масла, масла сафлора, сезамового масла, соевого масла, подсолнечного масла, масла из рисовых отрубей, tsubaki, масла периллы, масла семян hemo, масла капока, масла из семян чая, тунгового масла, полутвердого животного (сливочного) масла, свиного сала, таллового масла, китового жира, селедочного масла, сардинового жира и менхэденового масла.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается способа фракционирования жировой композиции, содержащей смесь жирных глицеридов, на две и более фракций, предусматривающий нагревание до температуры, при которой все жирные глицериды находятся в жидком состоянии, охлаждение сжиженной жировой композиции до заранее определенной температуры, при которой часть жирных глицеридов находится в виде твердых частиц, и фильтрацию полученной суспензии.

Способ указанного во введении типа, известен, в частности, из авт.св. СССР N 461109, кл. C 11 B 7/00, 1975. Подобные технологии, однако, не решают имеющихся в данной области проблем, которые поясняются ниже.

Натуральные жиры, такие, как сливочное масло, являются сложной смесью компонентов и содержат в качестве основных составляющих триглицериды, каждый из которых является сложным эфиром, содержащим до трех составляющих жирных кислот и глицерин. Природа отдельных составляющих жирных кислот различна и зависит от источника. Даже из данного источника глицериды могут существенно варьироваться со дня на день и от сезона к сезону. Такая изменчивость создает определенные проблемы, связанные с тем, что небольшие изменения в составляющих жирового ингредиента могут оказывать существенное влияние на качество и свойства конечного продукта. Ввиду этого, производители жиросодержащих пищевых продуктов вынуждены постоянно регулировать состав и параметры процесса, чтобы учесть такие изменения в источниках натуральных жиров.

Сливочное масло, в общем случае, ввиду того, что оно является в высшей степени изменчивой и сложной смесью глицеридов жирных кислот, обладает непостоянными свойствами и характеристиками, такими как температура точки плавления, которая в общем случае лежит в широком диапазоне температур. Свойства и характеристики меняются также в зависимости от сезона и климата. Ввиду такой изменчивости было бы предпочтительно иметь средства для обеспечения некоторой степени постоянства состава различных жировых продуктов, чтобы избежать необходимости постоянно следить и регулировать условия обработки. В хлебобулочной и пищевой промышленности особенно важно иметь доступные компоненты жиров, которые обладают узко определенными свойствами, такими, как четко определенной узкой областью температур плавления.

Кроме того, хорошо известно, что многие, если не все, натуральные жиры, которые находят применение при производстве пищевых продуктов, содержат существенные количества насыщенных жиров. Сливочное масло является первым примером. Для многих пищевых применений было бы желательно снизить количество насыщенного жира в конечном продукте, например, при помощи снижения количества насыщенного жира в исходной жировой составляющей, такой, как сливочное масло. Таким образом, был бы желателен общий способ, который позволял бы снизить количество насыщенного жира, по сравнению с таким необработанным натуральным продуктом, как сливочное масло.

Хотя для обработки таких натуральных жировых материалов, как сливочное масло, используют различные приемы и способы, чтобы получить жировые фракции с определенными свойствами, большинство таких способов не только изменяют компоненты этого материала; они также оказывают неблагоприятное действие на качество продукта, в частности, на его вкус, аромат или структуру.

Если, например, рассматривать сливочное масло, то любой обработанный продукт, чтобы удовлетворить потребителя, должен сохранять вкус и структуру сливочного масла. Желательно также, чтобы после извлечения из холодильника его можно было намазывать.

Ввиду того, что насыщенные жиры, в общем случае, имеют более высокие температуры плавления, чем ненасыщенные жиры, то при помощи селективного удаления, по меньшей мере, части таких, плавящихся при более высоких температурах жиров можно получить жировую фракцию, которая содержит меньше насыщенных жиров и хорошо намазывается, так как ненасыщенная фракция имеет более высокое содержание компонент с низкой температурой плавления, что улучшает намазывание.

Предпринимались попытки использовать несколько промышленных способов фракционирования композиции натуральных жиров, чтобы обеспечить определенный набор свойств для использования в кондитерской и хлебобулочной промышленности. Такие способы использовали молекулярную перегонку, суперкритическое экстрагирование и кристаллизацию в расплаве. В общем случае, эти способы приводили к образованию "тяжелой" фракции, содержащей жиры, плавящиеся при высокой температуре, и легкой фракции, содержащей материалы с низкой температурой плавления. Если исходным материалом является сливочное масло, "тяжелая" фракция используется при выпечке хлеба и для приготовления песочного теста. Легкую фракцию можно использовать в качестве масла на продажу.

Способ, основанный на кристаллизации в расплаве, нашел самое широкое применение, главным образом благодаря законодательным причинам и экономическим соображениям. Именно таким является упомянутый во введении способ по авт.св. СССР N 461109. В соответствии с этим способом масло нагревают примерно до 60^oC, чтобы его расплавить. Затем масло охлаждают с очень низкой скоростью охлаждения, приблизительно 3^oC в час, что приводит к формированию больших кристаллов жира, размером приблизительно 300 мкм. Можно ожидать широкого распределения по размеру частиц 1 - 600 мкм. Эти кристаллы содержат компоненты с высокой температурой плавления, а жидкость состоит главным образом из компонент с низкой температурой плавления. Жидкая фаза содержит главным образом ненасыщенную часть компонент. Чтобы отфильтровать кристаллы, используют вакуум-фильтр, который, к сожалению, оставляет в остатке значительное количество жидкости вместе с кристаллами. Цикл кристаллизации составляет приблизительно 20 ч, чтобы получить только одну фракцию из исходного жирового сырья - сливочного масла, а полное время, необходимое для осуществления двух циклов кристаллизации, может превысить 60 ч. Масло, которое подвергают такой обработке, испытывает также существенные потери вкусовых качеств.

В таких способах традиционно имеются три стадии. В соответствии с первой стадией, масло нагревают и выдерживают при температуре 60^oC, чтобы снять какую-либо предыдущую термическую историю. Далее, образование ядер и рост кристаллов инициируют при помощи весьма жестко контролируемых температурных условий. Эта вторая стадия весьма продолжительна по времени, а необходимое оборудование весьма дорогостояще. Эта стадия протекает в течение от 10 до 18 ч на одну стадию фракционирования. Полученные в результате кристаллы в общем случае имеют размеры примерно 300 мкм. Такие большие кристаллы образуются вследствие медленного роста, которое вызывается в высшей степени медленным охлаждением, в общем случае примерно 0,01^oC/мин. Быстрое охлаждение не подходит для этого способа, так как быстрое охлаждение привело бы к образованию маленьких кристаллов, которые трудно поддаются фильтрации, а также к образованию жидкостей с очень высокой вязкостью, что также затрудняет фильтрацию и обработку. Подвергая сливочное масло длительной термической обработке, можно также лишить масло вкуса из-за выпаривания придающих вкус соединений с меньшей молекулярной массой.

Кроме того, такая обработка требует стадии пастеризации, на которой масло относительно освобождается от бактерий и других организмов. К сожалению, температуры, необходимые для пастеризации, неблагоприятно воздействуют на вкусовые качества масла. Кроме того, даже при использовании высоких температур пастеризация не исключает все нежелательные бактерии. Таким образом, ощущается необходимость также в средстве, которое позволило бы снизить количество бактерий в масле, не прибегая к пастеризации.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается, в первую очередь, быстрый способ фракционирования жировой композиции, содержащей смесь жирных глицеридов, на две и более фракций. Кроме того, в соответствии с предлагаемым способом, в первую очередь, обеспечивается процедура фракционирования жировой композиции без ухудшения вкуса компонентов исходной жировой композиции.

Предлагаемый способ является действительно неожиданным ввиду того факта, что все известные способы фракционирования жировых композиций при помощи инициирования образования кристаллов жирных глицеридов основывались на в высшей степени медленном охлаждении, чтобы получить фильтруемые кристаллы жира. Как уже обсуждалось выше, такое медленное охлаждение в общем случае протекает многие-многие часы. Теперь, однако, установлено, что имеется возможность быстро охлаждать жировые композиции такие, как сливочное масло, и быстро получать фильтруемые кристаллы жирных глицеридов.

Посредством выбора скорости охлаждения и температуры, до которой охлаждают ожиженную жировую композицию, можно регулировать природу жирных глицеридов, у которых инициируется кристаллообразование, и, соответственно, контролировать природу как полученного в результате фильтрата, так и концентрата после фильтрации.

Предлагаемый способ позволяет также очень быстро осуществить фракционирование жировой композиции. Полное время, необходимое для охлаждения жировой композиции, инициирования образования кристаллов, чтобы получить суспензию жировых кристаллов, и удаления жировых кристаллов фильтрацией, может составлять менее часа.

Согласно изобретению, способ предусматривает нагревание жировой композиции до температуры, при которой все жирные глицериды находятся в жидком состоянии, охлаждение сжиженной жировой композиции до заранее определенной температуры, при которой часть жирных глицеридов находится в виде твердых частиц, причем охлаждение осуществляют со скоростью охлаждения не менее 0,5^oC в минуту, чтобы образовать суспензию кристаллов вышеупомянутой части жирных глицеридов, размер частиц которых составляет от 0,1 до примерно 50,0 мкм, и затем полученную суспендию фильтруют с использованием динамической микрофильтрации, чтобы образовать первый фильтрат, который по существу свободен от вышеупомянутых кристаллов, и первый концентрат, содержащий увеличенную концентрацию вышеупомянутых кристаллов.

Установлено, что фильтрат, который является той частью сливочного масла, которая проходит через фильтр, содержит более высокий процент холестерина, чем концентрат, т.е. та часть, которая не проходит через фильтр. Таким образом, с использованием такой фильтрации можно снизить содержание холестерина в одной из фракций масла. Повторение этой процедуры с использованием концентрата, полученного на первом цикле фильтрации, в качестве сырья для второго цикла можно использовать для дальнейшего снижения содержания холестерина.

В одном из вариантов выполнения изобретения, вязкость потока сжиженной жировой композиции перед фильтрацией снижают при помощи добавления в нее воды, и поддерживают жировые кристаллы и жировые капли в состоянии разбавления. Количество добавляемой воды в общем случае составляет не более примерно 10%, в предпочтительном варианте от примерно 2 до примерно 10%, а в наиболее предпочтительном варианте около 5 мас.%, в пересчете на общую массу сырья, когда сжиженной жировой композицией является сливочное масло. Количество воды может варьироваться для других жировых композиций. Если фильтр сначала насытить гидрофобным материалом таким, как жир, а затем использовать его в соответствии с изобретением, то обеспечивается быстрое фильтрование водной смеси жировых кристаллов и жировых капель без проникновения воды в фильтрат, вся вода сохраняется в концентрате.

Такое селективное удаление воды из фильтра возможно до тех пор, пока давление на фильтр не превысит критического давления и "прорыва", при котором жир будет вытеснен из фильтрующего элемента, и тогда вода будет проходить через него.

Важное преимущество изобретения заключается в том, что полученные жировые фракции поддерживают естественные свойства большинства, если не всех, исходных ароматических и вкусовых компонентов, так как сливочное масло подвергается лишь кратковременному нагреванию.

Предлагаемый способ позволяет получать фракции сливочного масла, имеющие химические и физические характеристики, сравнимые с теми, что получают известными способами. Предлагаемый способ при этом обеспечивает значительную экономию времени обработки.

Таким образом, в соответствии с изобретением предлагается, во-первых, способ быстрого фракционирования жировой композиции, который позволяет сохранить необходимые ароматические и вкусовые компоненты исходной композиции.

Кроме того, изобретение предлагает способ снижения содержания бактерий в жировой композиции посредством фильтрования сжиженной жировой композиции динамической микрофильтрацией через микропористый фильтр, чтобы получить фильтрат, который имеет более низкое содержание бактерий, чем исходная сырая жировая композиция, и концентрат, имеющий более высокое содержание бактерий, чем исходная жировая композиция. При этом достигается более эффективное снижение содержания бактерий, чем при использовании других известных приемов.

На фиг. 1 представлен график, полученный при помощи дифференциального сканирующего калориметра, для стеариновой фракции сливочного масла, полученной по изобретению; на фиг.2 - график, полученный при помощи дифференциального сканирующего калориметра, для олеиновой фракции сливочного масла, полученной по изобретению; на фиг.3 - график, показывающий процентное содержание твердых жировых компонент ("SFC"), которые присутствуют при указанных температурных условиях, для исходной композиции, для стеариновой фракции по фиг. 1 и для олеиновой фракции по фиг.2, определенное при помощи импульсного ЯМР.

При создании конкретных условий для любой заданной процедуры фракционирования жира необходимо учитывать несколько факторов. Например, начальная температура, до которой нагревают жир, и время выдерживания жира при этой температуре могут варьироваться в зависимости от состава конкретного жира. Например, некоторые жировые композиции будут содержать более насыщенный жир, чем другие, что потребует выдерживания жира при заранее определенной температуре в течение более длительного промежутка времени, чем в случаях с меньшим содержанием насыщенного жира. Кроме того, в зависимости от природы жира будет также варьироваться и длина цепей жира, жиры с более высокой молекулярной массой, в общем случае, будут иметь более высокую температуру точки плавления, чем жиры с более низкой молекулярной массой.

В соответствии с изобретением установлено, что натуральные жиры, такие как сливочное масло, при охлаждении почти мгновенно формируют жировые кристаллы, поддающиеся фильтрации. При быстром охлаждении до температуры фильтрования при соответствующих условиях можно получить кристаллы микронного размера, которые могут быть удалены с использованием соответствующих приемов фильтрации.

Предварительная обработка

Перед осуществлением изобретения, жировую композицию в общем случае подвергают известной предварительной обработке такой, как очистка фильтрованием. Если натуральным продуктом, подлежащим обработке, является сливочное масло, то его в общем случае нагревают до температуры около 60^oC до полного расплавления и выравнивания температуры по всей массе, а вода может быть удалена при помощи отстаивания, сушки или центрифугирования. Если для фильтрования используют мембрану, которая насыщена гидрофобным материалом, как это было описано ранее, то нет необходимости в применении отдельной стадии удаления воды.

Расплавленный жир далее фильтруют через фильтр с высокой емкостью для загрязнений, такой, например, который производится фирмой Полл Корпорэйшн под торговыми названиями Профиль(Profile) и NDC , чтобы удалить любые посторонние твердые частицы или грязь. Такие фильтры классифицируются как 10-ти микронные фильтры.

Охлаждение расплавленной жировой композиции

Предварительно профильтрованную жировую композицию в предпочтительном варианте переносят в реактор, снабженный рубашкой, где его можно быстро охладить до необходимой температуры и с необходимой скоростью. Реактор поддерживают при той же температуре, что и средство фильтрации при помощи средства для регулирования температуры и программируемого регулятора для температуры.

Желателен некоторый контроль длительности выдержки расплавленной жировой композиции в режиме быстрого охлаждения или в реакторе перед фильтрацией, так как размеры кристаллов и их фильтрационные свойства будут изменяться со временем. В общем случае, предпочтительно заранее установить время от первоначального охлаждения сырьевого материала до момента фильтрации. Очевидно, это время будет варьироваться от сырья к сырью и от оборудования к оборудованию. Однако, в качестве общего заключения укажем, что в большинстве случаев сырье подвергают фильтрации через примерно от 5 мин до примерно 2 ч с момента быстрого охлаждения, предпочтительно это время не превышает примерно 10 мин в большинстве случаев. Время выдержки обычно увеличивается с уменьшением размера пор мембраны фильтрующего элемента.

Предпочтительно получать кристаллы такими, чтобы они были фильтруемы и имели довольно равномерное распределение размера. Размер и распределение размеров кристаллов, образованных при охлаждении расплава жира, зависят от скорости охлаждения, а также температуры и времени выдержки. Размеры образованных кристаллов в общем случае определяются количеством доступных центров образования ядер, а это число доступных центров образования ядер, в свою очередь, зависит от скорости охлаждения. При охлаждении жира с высокой скоростью образуется большое количество ядер, что приводит к получению большого количества кристаллов небольших размеров таких, как от примерно 0,5 до примерно 2 мкм. Кинетика образования небольших кристаллов очень скоростная и полученные размеры в общем случае содержатся внутри небольшой области распределения размера. Гомогенность кристаллической массы позволяет упростить подбор мембраны фильтрующего элемента для данной совокупности условий.

Медленное охлаждение, которое использовалось в известных способах, приводит к образованию лишь небольшого числа центров образования ядер и поэтому образуется мало кристаллов. Кроме того, медленное охлаждение приводит к росту кристаллов. В известных способах фракционирования жиров получают кристаллы размером от 10 до 800 мкм.

Жиру присуще свойство оставаться в суперохлажденном состоянии перед тем, как он начинает кристаллизоваться. Охлаждение расплавленного жира до температуры обработки и немедленная его фильтрация может заставить суперохлажденный жир формировать ядра и кристаллизоваться в порах фильтрующей мембраны, что приводит к забивке мембраны. Следовательно, необходимо выдержать жир при температуре обработки в течение некоторого времени перед фильтрацией. Это, в частности, важно, когда используют полимерные мембранные фильтры с небольшими размерами пор.

Скорость охлаждения также может варьироваться в широких пределах. Первоначальные скорости охлаждения в общем случае составляют от примерно 0,5 до примерно 5^oC в минуту, а в предпочтительном варианте примерно 1^oC в минуту. Скорость охлаждения и время охлаждения до фильтрации должны быть такими, чтобы размер кристаллов во время фильтрации составлял от примерно 0,1 до примерно 50 мкм, в предпочтительном варианте примерно 0,5 - 5 мкм, а в самом предпочтительном варианте примерно один микрон.

Для эффективной фильтрации важен размер жировых кристаллов и очевидно, что этот желаемый размер будет несколько меняться от оборудования к оборудованию. Кроме того, состав жировых кристаллов важен с точки зрения желаемой степени фракционирования. Посредством нескольких циклов охлаждения, прирастающих на небольшую величину от цикла к циклу, например, на 5 - 10^oC за цикл, можно получить несколько жировых фракций из одного источника жира, причем каждая фракция будет иметь узко определенные характеристики и свойства.

Для сливочного масла начальная обработка, в соответствии с которой масло охлаждают со скоростью от примерно 0,5 до примерно 5^oC/мин, до температуры фильтрации от примерно 0,5 до примерно 30^oC, дает концентрат, который содержит существенно больше триглицеридов с высокой температурой плавления, главным образом стеарина, по сравнению с фильтратом, содержащим в основном олеин.

Предпочтительно, исходную жировую композицию охлаждают до примерно 35^oC, начиная с температуры примерно 60^oC, с использованием холодной воды в рубашке реактора, что приводит к скорости охлаждения, по меньшей мере, примерно 2^oC в минуту, в предпочтительном варианте от примерно 3^oC до примерно 5^oC в минуту, при постоянном медленном перемешивании. Жир затем охлаждают до примерно 5 - 30^oC регулируемым образом. Жир выдерживают при этой температуре в течение примерно от 5 мин до 2 ч.

Аппаратом для охлаждения может быть шнековый теплообменник-кристаллизатор такой, который производится фирмой APY Crepaco; реакторы с рубашкой, холодильные барабаны такие, что производятся фирмой Buflovak; или другое оборудование, которое, например, описано в Патенте США N 4439461. Охлаждающей средой может быть любая известная среда для переноса тепла, например холодная вода, гликоль или воздух, в зависимости от конкретного процесса.

Аппарат и обработка фильтрацией

Аппарат для фильтрации может иметь любую подходящую конструкцию и тип. Так как предпочтительный размер жировых кристаллов, подлежащих удалению, составляет примерно 1 мкм, как уже обсуждалось выше, здесь можно использовать самые различные средства фильтрации.

Типы соответствующих фильтрующих мембран включают пористые металлические фильтры, микропористые ПЭТФ-мембраны, микропористые поливинилиден-фторидные мембраны и т.п.

Поры микрофильтров имеют такой размер, чтобы удерживать жировые кристаллы, которые образуются после быстрого охлаждения, одновременно поддерживая приемлемую скорость потока через микрофильтр. К эффективным мембранам относятся микропористые мембраны с хорошими свойствами потока, узким распределением размеров пор и приемлемой эффективностью по удалению бактерий, которые должны быть удалены. Область изменения размеров пор микрофильтрующей мембраны составляет от примерно 0,1 до примерно 10,0 мкм, что устанавливали при помощи процедур, известных в этой области техники, например, используя испытания, известные под наименованием "точки появления первого пузька" (ASTM F 316-86) и K_L-метод (Патент США N 4340479). В предпочтительном варианте область изменения размеров пор составляет от примерно 0,2 до 2 мкм. В самом предпочтительном варианте осуществления используют фильтры, которые имеют размеры пор примерно 1,0 мкм. Такие микропористые фильтры хорошо известны и легко доступны.

Предпочтительные микропористые мембраны, которые можно использовать в соответствии с настоящим изобретением, включает мембраны, производимые фирмой Полл Корпорэйшн под торговым наименованием Ultipor N₆₆, Fluorodynt и Posidyne мембраны, производимые фирмой Cuno Corporation, торговая марка Зетапор (Zetapor), и мембраны, производимые фирмой Миллипор (Millipore), торговая марка Дурапор (Durapore).

Цилиндрические мембранные элементы для использования в соответствии с изобретением включают те, что могут быть присоединены к носителю герметичным образом в соответствии с приемами, известными в этой области техники.

В качестве альтернативы, фильтр может быть изготовлен из нержавеющей стали, имеющей область размеров пор от примерно 5,0 мкм и меньше, в общем случае примерно 2,0 мкм, причем именно эти размеры широко представлены на рынке. Если используют фильтр из нержавеющей стали, можно использовать все оборудование, изготовленное из нержавеющей стали. Такая конструкция предпочтительна, так как она обеспечивает простую очистку и содержание, не загрязняет продукт, потому что последние могли бы оказать неблагоприятное воздействие на качество продукта. Ввиду того, что нержавеющая сталь в общем случае доступна только с таким размером пор, который не менее примерно 1,0 мкм, использование фильтров из нержавеющей стали в общем случае означает, что условия реакции следует регулировать таким образом, чтобы размеры жировых кристаллов, получаемых при быстром охлаждении, были больше размера пор микрофильтрующей мембраны. В общем случае используют более продолжительные периоды кристаллизации для этой цели.

Что касается пористых металлических фильтров, то фильтры из нержавеющей стали по патенту США N 4562039, который включен путем ссылки, являются особенно эффективными в предлагаемом способе, а также те, что производятся фирмой Полл Корпорейшн под наименованием "металлические мембранные фильтры Pall PMM", такие, как М020 и М050, которые обеспечивают полное удаление частиц в 2 мкм и 5 мкм, и 99%-ное удаление частиц в 0,5 мкм и 2 мкм, соответственно.

Выбор типа фильтра и размеров пор зависит от нескольких факторов, наиболее важным из которых является размер частиц жировых кристаллов. Чем меньше жировые кристаллы, тем меньше поры фильтра и соответственно, тем продолжительнее будет время фильтрации из расчета на удельную площадь поверхности фильтра или мембраны.

При фракционировании жира эффективность процесса определяется количеством сырья, обработанного за единицу времени, и качеством обоих потоков продуктов (фильтра и концентрата). В общем случае желательно, чтобы фильтрат был свободен от стеариновых кристаллов, а концентрат не содержал олеиновой жидкости. Еще одним важным фактором является длительность работы оборудования между циклами очистки мембраны.

Ясно, что использование обычной, "тупиковой" фильтрации не годится для осуществления изобретения, так как после фильтрации небольшого количества олеинов на поверхности мембранного фильтра откладывается толстый слой кристаллов. Один из способов предотвращения образования упомянутого слоя заключается в вовлечении кристаллов в поток, который движется с относительно высокой скоростью по поверхности мембраны, как это делают при "поперечной" фильтрации.

Использование технологии "поперечной" фильтрации, однако, также не подходит для осуществления изобретения. В схемах с поперечным потоком поток концентрата примерно в 10 - 20 раз превышает поток фильтрата, что приводит к скоростям примерно 10 м/мин через мембранную поверхность. Более высокие скорости на поверхности могут быть получены за счет увеличения перепада давлений. Более высокие перепады давления однако неблагоприятны для фильтрации, так как при этом кристаллы скучиваются и агломерируются и при этом повышаются затраты энергии на нагнетание для номинального выхода потока фильтрата.

При реализации приемов поперечного течения поток концентрата сильно разбавляется жидкой фракцией и ее необходимо постоянно рециркулировать с тем, чтобы добиться какой-либо степени концентрации кристаллов при помощи последовательного удаления олеина. Это приводит к нескольким проблемам при обработке, включая увеличение вязкости с каждым циклом, более высокие затраты энергии на нагнетание, плавление кристаллов из-за сдвигового тепла, выделяемого при постоянной рециркуляции и, в общем случае, к отсутствию контроля качества концентрата.

Для предлагаемого способа особенно эффективна динамическая фильтрация. При динамической фильтрации потоку сырья сообщается вторичная компонента скорости, касательная поверхности мембраны, и перпендикулярная направлению потока сырья. Это вторичная компонента скорости не зависит от скорости подачи материала в фильтрующую камеру и контролируется движением самого мембранного фильтрующего элемента или движением поверхности, расположенной вблизи мембранной фильтрующей поверхности. Кроме того, так как вторичная скорость не зависит от насоса, подающего сырье, можно получить гораздо более высокие скорости на поверхности фильтра без избыточного перепада давления или дополнительных затрат энергии нагнетания.

В предпочтительном варианте выполнения, цилиндрический мембранный фильтр совершает вращение вдоль своей вертикальной оси внутри камеры для фильтрации под давлением. Материал поступает в нижнюю часть фильтрующей камеры и под действием насоса для подачи сырья достигает аксиальной скорости, направленной вдоль оси элемента мембранного фильтра, а вторичная компонента скорости направлена тангенциально мембранной поверхности в направлении вращения элемента мембранного фильтра. Материал подают в фильтрующую камеру, затем направляют по спирали относительно поверхности мембраны.

Тангенциальная скорость определяется исключительно скоростью вращения мембранного фильтрующего элемента. В общем случае, поток фильтрата увеличивается с тангенциальной скоростью. В соответствии с предлагаемым способом, можно использовать тангенциальные скорости в 10 - 500 м/мин, предпочтительно, 50 - 200 м/мин. Основной недостаток использования тангенциальных скоростей заключается в дополнительном тепле, которое выделяется при вращении мембранного фильтрующего элемента. Так как количество дополнительного тепла пропорционально квадрату скорости, необходимо выбрать оптимальную скорость, чтобы предотвратить плавление кристаллов в камере для фильтрации. Использование камеры для фильтрации, снабженной рубашкой с подаваемым в нее хладагентом, может обеспечить использование более высоких тангенциальных скоростей без расплавления кристаллов.

Более высокие тангенциальные скорости можно также использовать при очистке забитого мембранного фильтрующего элемента, а также если желательно получить концентрат с высокой температурой плавления.

Аксиальная компонента скорости определяет уклон спиральной траектории движения материала, и, следовательно, определяет время пребывания материала в камере для фильтрации. При помощи регулирования уклона спиральной траектории, по которой движется материал в камере фильтрации, можно регулировать качество концентрата. Меньший уклон обеспечивает более продолжительное время пребывания в камере фильтрации и, следовательно, более высокую степень концентрирования. Время пребывания непосредственно связано с количеством времени, в течение которого единица объема сырьевого материала контрактирует с мембраной фильтра. Чем больше время пребывания, тем большее количество олеина будет извлечено из концентрата и пройдет через мембрану фильтра. Очевидно, аксиальная скорость играет главную роль при определении качества потока концентрата.

В зависимости от сырьевого материала, концентрации твердых частиц в потоке сырья и температуры обработки, аксиальная скорость может варьироваться от 0,005 до 10 м/мин.

Те же аналогии могут быть применены к другим типам динамических фильтров. Например, когда используемым фильтрующим оборудованием является вращающийся дисковый фильтр, насос для подачи сырья обеспечивает компоненту аксиальной скорости, а вращение твердого диска, расположенного вблизи мембранного фильтрующего элемента, обеспечивает тангенциальную скорость. И здесь поток пермеата контролируется тангенциальной скоростью, а качество концентрата и скорость обработки регулируются аксиальной скоростью. В этом конкретном варианте выполнения материал движется по спирали с сужающимся радиусом, когда сырье подается возле внешнего диаметра дискового динамического фильтра.

Конкретный тип используемого оборудования для фильтрации не играет решающей роли, важно лишь то, чтобы жидкость, подлежащая фильтрации, имела две компоненты скорости, причем первая контролирует поток фильтрата, а вторая контролирует качество концентрата и скорость обработки.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения, фильтрующим оборудованием является динамический микрофильтр с поперечным потоком, в котором вращается сам фильтрующий материал. Предпочтительно средства динамической микрофильтрации используют вращающиеся цилиндрические фильтры, раскрытые в патентах США N 4956102, 4900440, 4427552, 4093552, 4066554 и 3797662. Другие такие средства описаны в патенте США N 5037562, которые относятся к вращающейся дисковой фильтрующей системе для динамического разделения масла/жидкости. Еще один вращающийся дисковый фильтр предложен в патенте США N 3997447, а патент США N 4956102 относится к другим вращающимся цилиндрическим фильтрам. Все упомянутые патенты включены сюда путем ссылки.

Расплавленный жир можно непрерывно подавать в фильтрующее средство, например, циркуляционным насосом. В общем случае, давление циркуляции, при фильтрации с поперечным потоком, должно изменяться от примерно 3 до примерно 15 или 20 бар, предпочтительно, до примерно 10 бар. При заданной скорости потока, средняя скорость потока фильтрата может составлять от примерно 30 до примерно 80% скорости потока сырья, а средняя скорость потока концентрата при этом составляет от примерно 20 до примерно 50%. Жидкая фракция после прохождения через фильтр может быть снова рециркулирована в резервуар. Твердый кристаллический материал, удерживаемый фильтром на одной его стороне, может направляться насосом во второй резервуар.

Количество твердой фракции в сырье зависит от целевых продуктов. Оно может варьироваться от 2 до 60% в зависимости от цели для конкретной фракции. Если требуется получить большее количество фракций с вполне определенными характеристиками, то содержание твердого жира в сырье поддерживается на уровне примерно 2 - 10%. Снижение содержания твердого жира в сырьевом потоке приводит к снижению вязкости сырья, что в результате увеличивает скорость обработки. Как уже упоминалось ранее, проблема быстрого охлаждения состоит в том, что сырьевой поток приобретает очень высокую вязкость, что делает фильтрацию известными методами трудным, почти невозможным, делом.

В настоящее время установлено, что имеется возможность снизить вязкость сырьевого потока перед фильтрацией при помощи добавления в него воды и поддержания кристаллов жира и жировых капель в состоянии суспензии. Если фильтрующий элемент предварительно насыщен гидрофобным материалом таким, как жир, а затем используется по изобретению, то можно фильтровать вышеупомянутую водную суспензию кристаллов жира и жировых капель без риска попадания воды в фильтрат, причем вся вода остается в концентрате.

Такое селективное удаление воды из фильтрата возможно до тех пор, пока давление на фильтрующий элемент не превышает критического давления "прорыва", при котором жир вытесняется из фильтрующего элемента и вода проходит через него. Давление "прорыва" варьируется в зависимости от размеров пор фильтрующего элемента, фильтрующего материала, геометрии этого элемента, конкретного типа жира, который используют для предварительной пропитки фильтрующего элемента и т.п. Как правило, такое давление в общем случае изменяется внутри области от примерно 2 до примерно 20 фунтов/кв.дюйм (от 0,141 до примерно 1,406 кг/см²). Когда фильтрующим элементом является металлический цилиндрический фильтрующий элемент с размером пор 1,0 мкм, а элемент был предварительно пропитан сливочным маслом, давление "прорыва" составит примерно 6 - 10 фунтов/кв.дюйм (0,422 - 0,703 кг/см²). Таким образом, пока давление, приложенное к фильтрующему элементу, поддерживается на уровне ниже примерно 8 - 10 фунтов/кв.дм (0,562 - 0,703 кг/см²), вода не будет проходить через него. Например, можно использовать автоматический обратный клапан, чтобы гарантировать, что давление, приложенное к фильтрующему элементу, не превысит заданного уровня.

Вариант выполнения, использующий водную суспензию жира, можно применять, если только используются фильтры или мембраны с относительно небольшими размерами пор. В общем случае размер пор должен составлять примерно 1,0 мкм и меньше.

Превышение давления "прорыва" приведет к тому, что вода станет вытеснять масло в порах мембраны и вызовет забивку мембраны.

В соответствии с вариантом, когда используют вращающийся цилиндрический динамический фильтр, давления "прорыва" будут выше по сравнению со статической мембраной ввиду того, что вода плотнее, чем масло и стремит покинуть поверхность мембраны под действием центробежной силы, создаваемой вращением динамического фильтра.

Добавление воды будет также оказывать влияние на качество продукта, так как она будет замещать собой некоторое количество олеина, поглощаемого в стеарине или в концентрате. Возможность, при использовании воды, работы при более низких давлениях фильтрации, кроме того, предотвращает образование нежелательных агломератов кристаллов.

Источники жира

Жиры обычно содержат глицериновые сложные эфиры жирных кислот, которые содержат кислотные цепи длиной от C₄ до C₁₈. Сливочное масло содержит кислотные цепи от C₄ до C₁₈, причем C₁₈-кислоты бывают четырех типов, насыщенные или ненасыщенные, имеющие от одной до трех двойных связей. Растительные жиры варьируются в самых широких пределах, от нескольких C₈-кислот (в качестве самых коротких), как в случае пальмового масла, тогда, как другие содержат C₁₆-кислоты в качестве самых коротких кислот, как в случае соевого масла. Большинство растительных масел содержат C₁₈-кислоты в качестве составляющей самой большой длины, тогда как некоторые растительные масла содержат кислоты длиной до C₂₂ как в случае арахисового масла и масла из виноградных косточек.

Жировые продукты, получаемые от большинства сухопутных млекопитающих, такие, как свиное сало и животный жир, содержат C₁₄-кислоты в качестве своих компонент с самой короткой длиной цепи, и C_18-20 качестве самых длинных компонент. Жиры морских животных, с другой стороны, могут содержать значительные количества C₂₂-жирных кислот, некоторые из которых могут быть высоко ненасыщенными, вплоть до шести двойных связей.

Как можно легко понять, при таком широком многообразии возможных натуральных источников жира, предлагаемый способ фракционирования различных жировых продуктов может широко варьироваться. Однако, способ фракционирования, являющийся предметом изобретения, применим к любому жировому материалу, независимо от источника и является ли этот материал натуральным или синтетическим.

Конкретные жиры, которые могут быть обработаны в соответствии с изобретением, включают следующие жиры:

Растительные: бабассу, касторовое, кокосовое, кукурузное, хлопковое, льняное, oiticica, оливковое, пальмовое, пальмовых орехов, арахисовое, горчичное, сафлоровое (стандартное и с высоким содержанием олеинов), сезамовое, соевое, подсолнечное, рисовое, tsubaki, периллы, гемо-семян, капока, семян чая и тунга.

Животные: сливочное масло, свиное сало, животный жир.

Морские: китовое, селедочное, сардиновое и жир менхэдена.

Настоящее изобретение далее иллюстрируется следующими неограничивающими примерами.

Описание аппарата для фильтрации.

В этих испытаниях использовался цилиндрический динамический микрофильтр (цилиндрический ДМФ) BDF-01, производимый фирмой Sulzer Brothers Limited, Winterthur, Switzerland. Оборудование описано в книге Rebsamen и др. (Dynamic Microfiltration and Ultrafiltration in Biotechnology Rebsamen, E. и Zeigler, H.Proc. of the World Filt Congress IV, 1986 (Ostend, B)). Cм. также патенты США N 4066554 и 4093552, которые включены путем ссылки.

Описание используемых мембранных фильтрующих элементов.

Использовали мембранные фильтры РММ и PSS, изготовленные из различных сортов тефлона и пористого металла, которые производятся фирмой Pall Corporation, Glencove, NY. Использовались фильтры с размером пор 0,2, 0,45, 0,65, 1,0, 2,0, 5,0 и 10,0 мкм. Мембранные фильтрующие элементы имели площадь поверхности 0,04 м². Фильтрующий элемент изготавливали при помощи оборачивания мембран вокруг пористой цилиндрической подложки так, чтобы исключить утечки. Диаметр цилиндра составлял 0,06 м, а длина - 0,2 м. Это обеспечивает общую площадь фильтрации в 0,4 м².

Метод А

Плавление и очистка сливочного масла

Измеренное количество замороженного сливочного масла помещали в контейнер и содержимое нагревали до температуры примерно 60^oC. Масло поддерживали при этой температуре до его полного расплавления. Расплав затем выдерживали в течение 15 мин. Обычно получают три фазы - нижний слой, содержащий большое количество воды, средний масляный слой, и третий слой, содержащий различные твердые частицы. Верхний слой снимали, а масляный слой сливали в другую емкость. Слитое масло затем фильтровали через фильтр HDC в 10 мкм. Далее фильтрат собирали и замораживали до последующего использования, или его поддерживали при 60^oC перед последующей обработкой.

Метод В

Термическая обработка с целью образования фильтруемых кристаллов

Метод В1

В качестве реактора использовали сосуд, снабженный рубашкой, соответствующего размера. Затем масло нагревали до 60^oC при помощи циркуляции горячей воды и выдерживали при этой температуре в течение примерно 10 мин. Затем горячую воду в рубашке вытесняли холодной водой, чтобы снизить температуру масла соответствующим образом, в общем случае, со скоростью примерно 0,5 - 5^oC/мин. Когда температура масла жира достигала примерно 90% температуры обработки, хладагент вытесняли жидкостью с температурой на несколько градусов ниже температуры обработки и выдерживали в течение соответствующего времени, предпочтительно примерно 30 мин. Масло медленно перемешивали с использованием мешалки якорного типа.

Метод В2

Масло, обработанное методом А, быстро охлаждали до -5^oC и выдерживали в течение 15 мин. Затем масло медленно нагревали до температуры обработки, используя подходящий агент для переноса тепла.

Метод В3

Масло из метода А переносили в сосуд, снабженный рубашкой, и подвергали медленному охлаждению. Обычно масло медленно охлаждали (0,01 - 0,2^oC/мин). Эту обработку осуществляли до образования больших кристаллов. Для этого подавали жидкость для теплопереноса в рубашку реактора. Температурой горячей воды управляли с использованием датчиков температуры проходного и погружаемого типа.

Метод С

Работа цилиндрического динамического микрофильтра.

Перед началом работы оборудование очищали горячим каустиком, а затем промывали деинизированной водой и сушили воздухом. Затем в цилиндрический динамический микрофильтр (ДМФ) устанавливали мембранный фильтрующий элемент, описанный в предыдущем разделе. Жидкость, подлежащую фильтрации, подавали из емкости в цилиндрический ДМФ поршневым насосом. Количество концентрата контролировали при помощи второго насоса или предохранительного клапана, установленного на патрубке отбора концентрата. Температуры и скорости потоков сырья, фильтрата и концентрата, а также давление сырья замеряли в различные моменты времени в течение эксперимента, в общем случае, с интервалом в 10 мин. Стандартными условиями работы цилиндрического ДМФ были: скорость вращения 600 об/мин и давление сырья примерно 2,0 - 8,0 бар. Все примеры с этим устройством осуществляли с использованием постоянных скоростей потока сырья.

Качество и скорость потока каждой фракции зависит от ряда факторов. Все они резюмированы ниже.

Характеристики сырья

Ф(Т) - % содержания твердых частиц в сырье при температуре. Если сырьевым потоком является обычное сливочное масло.

Ф(Т) определена и обозначена как Ф"(Т).

W - концентрация воды, об.%.

Процесс кристаллизации

Cr - скорость охлаждения во время кристаллизации, ^oC/мин.

_h - время выдержки для кристаллизации, мин.

T₂ - температура выдержки.

Процесс фильтрация

T_f - температура фильтрации, ^oC. Жидкость, подлежащую фильтрации, поддерживали при этой температуре в течение процесса фильтрации. Так как некоторое количество тепла выделяется во время фильтрации, T_f в общем случае на несколько градусов выше, чем T_h, и является равновесной температурой, достигаемой в средстве для фильтрации в течение заданного времени пребывания. Этот параметр испытывает влияние по большей части V_a и V_r.

P_f - давление фильтрации, бар.

V_a - аксиальная скорость, м/мин.

V_r - тангенциальная скорость м/мин, которая определяется исключительно скоростью вращения мембранного фильтрующего элемента. Когда V_r увеличивается, то обычно увеличивается фильтрат. Повышение этой компоненты скорости приводит к образованию большего тепла.

- размер пор мембраны, мкм.

- среднее время пребывания жидкости в камере для фильтрации, мин.

Описание аналитических методов

Показатель йода

Показатель йода, который служит мерой ненасыщения в образце жира, измеряли в соответствии с процедурой Cd 1-25 (American Oil Chemists Society).

Дифференциальный сканирующий калориметр (DSC)

20-30 мг образца жира помещали в алюминиевый тигль. Ячейку для измерения продували гелием (50 мл/мин). Жир затем нагревали до 80^oC и выдерживали 10 мин, чтобы обеспечить равномерный нагрев. Образец затем охлаждали до -40^oC со скоростью 10^oC/мин. Плавление кристаллов анализировали при нагревании образца от -40^oC до 80^oC со скоростью 10^oC/мин. Полученные данные являются интегрированным значением энергии, выраженным в джоулях/грамм образца при 6^oC (представляющей жидкую фракцию) и при 24^oC (представляющей твердую фракцию).

Содержание твердого жира при помощи импульсного ЯМР

Содержание твердого жира в образце при конкретной температуре измеряли при помощи пЯМР (pNMR), используя мини-спектрометр Брукера. Используемый прием соответствовал между Cd 16-81 (American Oil Chemists Society). Данные, получаемые здесь, соответствуют содержанию твердого жира (SFC) в образце при температуре 25^oC.

Примеры

Сливочное масло нагревали до температуры примерно 60^oC, выдерживали до полного его расплавления и равномерного нагревания, а воду удаляли отстаиванием. Затем расплавленный жир фильтровали через фильтр с высокой емкостью по грязи, чтобы удалить любые внешние твердые частицы или грязь при помощи использования фильтра с порами в 10 мкм. Предварительно профильтрованный расплавленный жир затем переносили в реактор емкостью 10 л, снабженный рубашкой, где его выдерживали 15 мин.

Жир быстро охлаждали до примерно 35^oC с использованием холодной воды в рубашке реактора, со скоростью охлаждения от примерно 3 до примерно 5^oC/мин, при этом поддерживая медленное перемешивание. Далее жир охлаждали до 28 - 30^oC регулируемым образом. Жир выдерживали при этой температуре в течение примерно 30 - 40 мин.

Жир непрерывно направляли циркуляционным насосом в средство динамической микрофильтрации. Давление циркуляции составляло примерно 3,6 бара. При скорости потока сырья 200 мл/мин средняя скорость потока фильтрата составляла примерно 140 мл/мин, а средняя скорость потока концентрата составляла примерно 60 мл/мин. Динамический микрофильтр, снабженный стальной мембраной, имеющей размер пор в области 0,2, функционировал при скорости ротора 150 об/мин. Жидкую фракцию после прохождения через фильтр рециркулировали обратно в резервуар. Твердый материал, который удерживался на фильтре на стороне концентрата, направляли насосом во второй резервуар. Поток фильтрата достигает равновесия на уровне 3,0 фунтов/мин/м² (1,36 кг/мин/м²).

Концентрат содержит гораздо большее число триглицеридов с более высокой температурой плавления, главным образом стеарин, по сравнению с фильтратом, который является в основном олеином, как это представлено на фиг.1 и 2, которые являются графиками, полученными с использованием дифференциального сканирующего калориметра для стеарина и олеиновой фракции, соответственно.

Фиг.3 представляет результаты по содержанию твердого жира (SFC), полученные с использованием образцов из этого примера, и импульсного ЯМР. Ясно, что стеарин имеет более высокое SFС при различных температурах по сравнению с сырьем в то время, как олеин имеет значительно более низкое SFC.

"Тупиковая" фильтрация

Пример 1. Чтобы определить действие условий кристаллизации на известную "тупиковую" фильтрацию, осуществляли три опыта. Три фунта (1,361 мг) сливочного масла предварительно обрабатывали с использованием Метода А. Затем его разделяли на три порции по 1 фунту (0,454 кг) каждая и кристаллизовали с использованием способов В1, В2 и В3. Температуру кристаллизации поддерживали на уровне 25^oC в каждом случае. Предварительно обработанное масло затем подвергали фильтрации с использованием 90 мм фильтрующей головки, снабженной мембраной Ultipor с порами 0б65 мкм. Во всех трех случаях только несколько капель олеина проникло через мембрану перед тем, как давление стало столь высоким, что стало невозможным продолжать фильтрацию.

Пример 2. По примеру 1 с использованием мембраны HDC с большим размером пор - 10 мкм. В этом случае было установлено, что общий объем фильтрата был наибольшим, 95 мл, для масла, охлажденного методом В3. Другие два метода охлаждения дали почти такие же общие объемы фильтрата, примерно 65 мл.

Примеры 1 и 2 показывают, что независимо от процедуры, при помощи которой масло охлаждали, при функционировании в режиме "тупиковой" фильтрации поток фильтрата будет снижаться до нуля из-за образования лепешки на поверхности мембраны. Чем меньше размер пор мембран, тем быстрее возникает забивка мембраны.

Качество и скорость потоков при различных температурах фильтрации при использовании мембран с различными размерами пор.

Пример 3. Десять фунтов (4,536 кг) сливочного масла предварительно обрабатывали по методу А, а затем кристаллизовали при температуре 29^oC по методу В1. Масло охлаждали со скоростью примерно 1^oC/мин от 60 до 26^oC. Далее условия поддерживали еще в течение 30 мин, в течение которых масло достигало температуры 28^oC. В конце этого периода термически обработанное масло направляли при помощи насоса на динамический микрофильтр со скоростью примерно 0,35 фунтов/мин (0,16 кг/мин). Металлический мембранный фильтрующий элемент, РММ, с размером пор 2,0 мкм, устанавливали в динамический фильтр. Этот динамический фильтр функционировал, как это уже было описано ранее.

В общем случае условия работы следующие:

скорость вращения 600 об/мин;

тангенциальная скорость 120 м/мин;

давление фильтрации 4 - 5 бар.

Другие условия приведены в табл.1. Температуру фильтрации поддерживали на уровне примерно 28^oC, регулируя хладагент в рубашке динамического фильтра. Фильтрацию продолжали до тех пор, пока подача масла не прекратится. Фильтрат и концентрат собирали в отдельные контейнеры, причем отдельные скорости потока и температуры потоков отслеживали каждые несколько минут. Средние значения этих величин и данные о содержании твердого жира приведены в табл.2.

Пример 4. Повторяли пример 3 за тем исключением, что температуру фильтрации снижали до 25^oC. Условия обработки приведены в табл.1. Данные о потоке и содержании твердого жира сведены в табл. 2.

Пример 5. Повторяли пример 3 за тем исключением, что использовали полимерную мембрану с размером пор 1,0 мкм. Время кристаллизации составило 1 ч, а температура фильтрации 29^oC. Условия обработки сведены в табл.1. Данные относительно потока и содержания твердого жира приведены в табл.3.

Пример 6. Повторяли пример 5 за тем исключением, что использовали температуру фильтрации 26^oC. Условия обработки собраны в табл.1. Данные относительно потока и содержания твердого жира приведены в табл.3.

Пример 7. Повторяли пример 4 за тем исключением, что в качестве среды для разделения использовали мембрану в 0,1 мкм. Условия обработки приведены в табл. 1. Данные относительно потока и содержания твердого жира собраны в табл.4.

Примеры 3 и 4 осуществляли при тех же условиях за тем исключением, что использовали более низкую температуру фильтрации в примере 4. Как показано в табл. 2, скорость производства зависит от температуры обработки. Как можно видеть, температура фильтрации оказывает также воздействие на качество продукта. В примере 3 фиксировали 11% изменение во фракции фильтрата и 24% изменение во фракции концентрата. При помощи использования более низкой температуры в примере 4 различия соответствовали 17 и 46%.

Аналогичные результаты отмечали при сравнении примеров 5 и 6, которые осуществляли с полимерными мембранами при тех же условиях, за исключением температуры фильтрации. Эффект температуры особенно значителен в случае сливочного масла, когда содержание твердого жира может возрасти с примерно 2% при 32^oC до примерно 60% при 15^oC.

Эффект использования мембраны с различными размерами пор можно оценить при сравнении примеров 4, 6 и 7. Как можно ожидать, скорости потока фильтрата снижаются при использовании с меньшими размерами пор. Грубо говоря, это снижение соответствует пропорции снижения потока чистой воды, что указывает на то, что это влияние вызвано только более высоким сопротивлением мембраны с меньшим размером пор.

Качество продуктов улучшается, когда используют мембраны с меньшим размером пор. Таблицы 2, 3 и 4 показывают, что качество фильтрата значительно увеличивается при использовании мембран с меньшим размером пор. Качество фракции концентрата не полностью зависит от размера пор используемой мембраны, а в сильной степени зависит также от используемой аксиальной скорости. Более низкое значение содержания твердого жира в примере 7 по сравнению с примером 6 очевидно объясняется использованием более высокой аксиальной скорости, которая, как представляется, заставляет некоторое количество жидкой фракции течь вместе с концентратом.

Многократное фракционирование

Пример 8. Повторяли пример 4, за тем исключением, что сырьем была фракция фильтрата из примера 4, а не обычное сливочное масло. Условия обработки приведены в табл.5. Данные из этого примера собраны в табл.6.

Пример 9А. По примеру 4, полученные данные сведены в табл.9. Фильтрат собирали для использования в качестве сырьевого материала для примера 9В.

Пример 9В. Пример 9А повторяли за исключением того, что используемым сырьевым материалом был фильтрат из примера 9А, а используемая мембрана имела размер пор в 0,65 мкм. Полученные данные сведены в табл.5.

Примеры 8, 9А и 9В показывают, что один и тот же сырьевой поток можно обрабатывать при помощи нескольких различных приемов, чтобы получить различные фракции с совершенно различными свойствами. В случае примера 9В фракция фильтрата существенно отличается от исходного сырьевого потока из примера 9А (табл.7).

Кроме того, эти примеры показывают, что, с помощью подбора соответствующих температур фильтрации и размера пор используемой мембраны, свойства получаемых фракций можно варьировать в зависимости от целей.

Эффект добавления воды

Пример 10.

Повторяли пример 4 за тем исключением, что в сливочное масло добавляли 4 мас.% воды перед нагреванием и использовали давление фильтрации 2 бар. Полученные данные приведены в табл.8. При сравнении с примером 4 можно видеть, что добавление воды улучшает степень фракционирования.

Пример 11. Повторяли пример 6 за тем исключением, что в масло добавляли 4 мас. % воды перед нагреванием и использовали давление фильтрации в 2 бар. Данные приведены в табл.9.

Примеры 4 и 10 осуществляли при тех же условиях за тем исключением, что в примере 10 добавляли воду и использовали более низкое давление фильтрации. Табл. 8 показывает, что поток фильтрата на единицу перепада давления увеличивается при добавлении воды в жир. Можно также наблюдать значительное увеличение качества фильтрата. Сравнение примеров 6 и 11 дает те же результаты. Необходимо отметить, что фракция концентрата из примера 11 обладает более низким качеством, чем в примере 6, что может объясняться частичным поступлением жидкости в концентрат из-за слабого контроля за аксиальной скоростью во время эксперимента.

Пример 12. Повторяли пример 4 за тем исключением, что использовали мембранный фильтрующий элемент в 10 мкм. Никаких существенных изменений не было отмечено ни во фракции фильтрата, ни во фракции концентрата при сравнении с сырьевым потоком. Таким образом, мембраны с размером пор в 10 мкм или больше, очевидно, слишком большие, чтобы представлять практическую ценность для осуществления настоящего изобретения.