Membran proses dalam teknologi susu - Dari ide sederhana sampai obat berkhasiat di seluruh dunia

Abstrak Teknologi membran telah diterapkan di industri susu sejak awal 1970-an. Aplikasi proses membran digunakan sebagai alternatif untuk beberapa unit operasi, dalam pemecahan masalah pemisahan dan dalam pengembangan produk susu perah yang baru. Membran unit pressure-driven kontemporer termasuk mikrofiltrasi (MF), ultrafiltrasi (UF), nanofiltrasi (NF) dan reverse osmosis (RO) dan aplikasi utama adalah terkait untuk bahan baku protein yang berasal dari susu, pra-konsentrasi susu sebelum pembuatan keju dan teknologi alternatif untuk memperpanjang masa simpan susu. Pengembangan produk bernilai tambah dari sejumlah kecil susu merupakan salah satu aplikasi yang paling menjanjikan dari membran dalam susu. Tantangan penting pada wajah dunia teknologi membran dalam waktu dekat. 1. Pendahuluan Ide untuk menggunakan membran sebagai alat untuk pemisahan kemungkinan pertama kali dicetuskan sekitar pada ke abad ke-18, misalnya pada tahun 1748, Abbe Nolet pertama kali menggunakan kata osmosis untuk menggambarkan perembesan air melalui membran yang dibuat dari kandung kemih babi (Baker, 2004). Dipicu oleh kebutuhan untuk fenomena studi laboratorium seperti pada penelitian tekanan osmotik, membran kemudian digunakan oleh van't Hoff, yang mengembangkan hukum batas di 1887. Membran pada mulanya dikembangkan untuk tujuan pemisahan dan telah digolongkan berdasarkan ukuran pori-porinya serta terbuat dari nitroselulosa (collodion) dan komersialisasi membran dimulai pada 1930-an. Kegagalan dalam upaya untuk menghasilkan air minum murni menggunakan membran dilaporkan selama Perang Dunia II di Jerman, Eropa dan juga di Amerika Serikat. Timbulnya kekhawatiran tentang pasokan air minum di California Selatan memicu pembentukan suatu program penelitian terhadap desalinasi air (penghilangan kandungan garam pada air) di University of California di Los-Angeles (UCLA), dimana membran reverse osmosis (RO) yang bebas cacat, tinggi fluks anisotropik, pertama kali dikembangkan pada awal 1960-an. Dua siswa lulusan UCLA, Sidney Loeb dan Srinivasa Sourirajan (yang kemudian menjadi seorang peneliti di Dewan Riset Nasional Kanada), menemukan cara yang efektif untuk membuat membran RO

(Loeb & Sourirajan, 1963). Unit desalinasi skala lab mereka, yang mereka sebut big-dripper, hanya memproduksi air tawar dalam jumlah sedang, tetapi telah melahirkan suatu industri skala dunia bernilai multi-milyar dolar. Penemuan membran asimetris oleh Loeb dan Sourirajan sering disebut sebagai titik awal dari ilmu membran modern dan dipandang sebagai landasan dari industri pengolahan membran. Pengolahan susu dan produk susu telah sangat diuntungkan dari perkembangan teknologi ini, dimana sejumlah unit operasinya membutuhkan pengangkatan air, pemisahan padat-cair atau cair-cair. Tujuan dari makalah ini adalah untuk meninjau beberapa kemajuan teknologi utama yang dimungkinkan melalui pengolahan membran dan untuk menyorot beberapa aplikasi yang menjanjikan dari membran untuk perkembangan masa depan. Ikhtisar ini akan berfokus pada pressure-driven proses membran karena, selain elektrodialisis, yang telah digunakan secara ekstensif dalam demineralisasi pada whey keju susu formula, teknologi dengan bantuan elektrik yang lain masih dalam pengembangan di laboratorium atau skala pilot. 2. Membran dan teknologi susu: empat dekade inovasi Jumlah aplikasi yang sukses dari membran yang dikembangkan untuk pengolahan susu dan produk susu sejak 1970-an adalah penting dan terus meningkat. Perkembangan dari aplikasi baru ini, seringnya merupakan hasil langsung dari evolusi ilmu pengetahuan membran. Dalam sejumlah kasus, beberapa masalah kunci yang terkait dengan teknologi perlu diselesaikan terlebih dahulu sebelum membran dapat diterapkan dalam pengolahan susu. Tabel 1 merangkum tonggak paling penting sejak tahun-tahun pertama teknologi membran industri, bersama dengan beberapa perkembangan signifikan yang terjadi pada pengolahan susu. Tahun 1960 ditengarai sebagai awal mula dari manufaktur industri membran. Reproduktifitas dan resistensi (kimia dan mekanik) dari bahan membran adalah dua kendala utama untuk pengembangan aplikasi industri membran. Selulosa asetat (CA) membran anisotropik adalah yang pertama kali mencapai skala industri tetapi sensitivitas mereka yang terbatas untuk kondisi pH ekstrim memperpendek masa pakai mereka. Ultrafiltrasi (UF) diusulkan sebagai teknik yang potensial untuk mengkonsentrasikan padatan susu, terutama protein. Namun, aplikasi pada susu memerlukan desain modul yang bersih, dimana masih sulit dicapai di akhir 1960-an. Sanitary tubular (T) dan plate and frame (PF) adalah modul UF yang dikembangkan untuk aplikasi industri pada tahun 1970. Poliamida (PA) membran menjadi tersedia untuk RO. Bahan membran Polysulfonic (PS), memiliki stabilitas kimia yang lebih baik dari CA, diperkenalkan

dalam konfigurasi baru hollow fiber (HF). Tahun 1970 telah terlihat munculnya UF sebagai teknik untuk pra-berkonsentrasi susu sebelum pembuatan keju dan untuk memperoleh protein dari whey. Dekade ini ditandai dengan upaya pertama untuk menghasilkan industri keju dari retentates UF (atau cairan pra-keju), setelah prosedur MMV dipatenkan oleh Maubois, Mocquot, dan pengikutnya (1969). Proses MMV pertama kali diterapkan di Perancis untuk memproduksi keju Camembert. Proses SiroCurd, salah satu proses berbasis UF menggunakan faktor konsentrasi yang lebih rendah dan lebih cocok untuk keju keras dan semi-keras, dikembangkan di Australia. Inovasi ini memicu perkembangan besar atas manufaktur keju berbasis UF di dua dekade setelahnya (lihat Bagian 3.2). Penyusunan konsentrat protein whey (WPC) mencapai skala industri, sedangkan upaya penelitian yang signifikan telah ditekuni untuk pengembangan kondisi proses untuk pemisahan dan pengkonsentrasian protein dari whey keju dengan UF. Pasar untuk WPCs berada di masa pertumbuhan, dan karenanya, banyak usaha telah ditekuni untuk mengembangkan aplikasi dari bahan ini pada sistem pangan sampai awal tahun 1980-an. Dari sudut pandang teknologi, tantangan utama adalah untuk merancang pre-treatment guna mencegah pengotoran selama proses UF pada whey. Beberapa pre-treatment ini masih digunakan di pabrik pengolahan whey (Pouliot & Jelen, 1995). Beberapa perhatian juga

diberikan kepada penggunaan nanofiltrasi (NF) untuk konversi whey masam menjadi whey manis melalui penyesuaian pH dan diafiltrasi. Tahun 1980-an telah melihat munculnya membran NF (atau RO longgar) komersial, terutama sebagai akibat dari proses pembuatan yang efisien untuk bahan membran film tipis komposit (TFC) menggunakan polimer yang telah dikenal (PA, PS, CA) tetapi reproduktifitas membran masih merupakan suatu tantangan. Antusiasme awal untuk pengembangan proses baru berdasarkan konsentrasi UF dari susu untuk pembuatan keju agak dipengaruhi oleh penurunan data ekonomi pada hasil produksi keju. Selain itu, penggunaan susu UF pra- konsentrasi sering ditemukan memiliki konsekuensi negatif untuk pematangan keju (Horton, 1997a). RO dan konsentrasi UF susu pada peternakan juga dievaluasi di berbagai belahan dunia. Industri WPC terdorong oleh aplikasi baru protein whey sebagai bahan fungsional dalam sistem pangan. Perkembangan defatting whey (agregasi thermocalcic, curah hujan asam) juga membuka jalan untuk produksi protein whey isolat (WPI) menggunakan membran UF (Pearce, 1992). Sementara NF mencapai skala industri dan digunakan di seluruh dunia oleh industri susu untuk menghilangkan garam whey, mother liquor dan air asin, mikrofiltrasi (MF) juga menandai tahun

1990an (Horton, 1997b,1997c). Membran komersial keramik dan konsep uniform transmembran pressure (UTP) (Sandblom, 1974) untuk kontrol hidrodinamika dan fouling selama MF dari cairan susu diperkenalkan. Inovasi ini membawa pada pemecahan dari masalah teknologis seperti terlambat meniup Emmental keju, penghapusan spora dari whey, defatting susu dan whey yang efisien, dan pemisahan kasein misel dari susu. Konsep baru untuk memperpanjang umur simpan (ESL) susu dijabarkan dengan menggunakan MF untuk menghilangkan bakteri dari susu. MF dalam kombinasi dengan modifikasi fisikokimia juga dilakukan untuk memisahkan blaktoglobulin (b-LG) Hal. 3 dari a-laktoalbumin (a-LA). Pemisahan b-kasein dari susu telah dicapai pada skala industri dengan MF di bawah kondisi kombinasi fisikokimia (pendinginan, pengaturan pH, penambahan garam) seperti yang diusulkan oleh Terre , Maubois, Brule, dan Pierre (1987). Konsep Membran MF lain seperti Membralox (Des Socie' te' Ce'ramiques et Techniques, Perancis) dan Isofluxs (Tami, Perancis) kemudian dikembangkan untuk meminimalkan fouling membran akibat penurunan tekanan yang berlebihan. Pendekatan lain seperti backpulsing, air slugs, modul berputar atau bergetar telah dikembangkan untuk meminimalkan fouling atau deposisi partikel selama MF (Brans, Schroe n, van der SMAN, & Broomr, 2004) tetapi sangat sedikit berhasil sampai ke skala industri. Bahan membran terfungsikan seperti membran pertukaran ion muncul di 1990-an. Teknik ini menggabungkan selektivitas pertukaran ion kromatografi dan produktivitas pemisahan membran. Namun, kapasitas pengikatan mereka yang rendah (per satuan luas membran) dan masa pakai mereka yang terbatas masih membatasi dan maka teknik telah digunakan terutama pada skala laboratorium. Ketersediaan komersial material baru berupa NF memungkinkan pengembangan pendekatan untuk memisahkan peptida susu dan whey dengan cara hidrolisa enzimatik (Gauthier & Pouliot, 1995). Meskipun hidrolisat protein susu dan whey telah dikenal dan diproduksi sejak tahun 1980 untuk aplikasi gizi dan klinis, beberapa aktivitas biologis (Antihipertensi, kalsium mengikat, imunomodulator) dalam susu dan whey urutan peptida memicu pengembangan pendekatan ini untuk pemisahan peptida. 3. Membran proses pada pergantian milenium baru Pemisahan Membran saat ini terintegrasi dengan baik dalam industri susu. Timmer dan Van der Horst (1998) memperkirakan total luas UF dan RO membran terpasang di seluruh dunia menjadi

sekitar 210.000 dan 60.000 m2, untuk masing-masing. Lebih dari 75% dari area total untuk UF dan RO digunakan untuk pengolahan whey, sementara pengolahan susu menyumbang 25% dari membran UF. Aplikasi dari proses membran dalam pengolahan susu dapat diklasifikasikan ke dalam tiga bidang utama (Gambar 1), yaitu: (1) alternatif untuk beberapa unit operasi seperti sentrifugasi, penguapan, debakterisasi dan demineralisasi, (2) berarti penyelesaikan masalah pemisahan seperti defatting whey, pemulihan dan pemisahan protein, fraksinasi globul lemak susu (Goudedranche, Fauquant, & Maubois, 2000), atau solusi daur ulang dan penghapusan spora, dan (3) alat untuk membuat produk susu baru seperti keju UF (Ras, Pave 'd'Affinois, Domiati, dll), susu ESL, whey berbasis minuman dan produk susu bertekstur. klasifikasi sederhana Ini menyoroti kemampuan proses membran yang telah diperoleh selama bertahun-tahun dan aplikasi mereka dalam berbagai industri susu secara luas. Dua aplikasi penting lain dari proses membran yang tidak dapat diklasifikasikan pada Gambar. 1 adalah standarisasi produk susu menggunakan permeat susu UF (Puhan, 1991) dan UF dari peternakan untuk pengurangan biaya transportasi susu (Zall, 1987a, 1987b). Penambahan permeat UF pada susu memungkinkan standarisasi di protein, lemak dan padatan non-lemak dari susu dan produk susu. Selain itu, ditemukan bahwa praktek ini tidak terukur dampak pada sifat organoleptik susu skim (Rattray & Jelen, 1996). UF dari peternakan untuk pengurangan biaya transportasi susu telah dievaluasi di Australia, Amerika Serikat, Kanada dan bagian lain dunia. Kelayakan teknologi telah ditunjukkan tetapi kelayakan ekonomi dari proses yang bervariasi dan sangat tergantung pada biaya untuk pembuangan UF permeat yang dihasilkan di peternakan (Renner & Abd El Salam, 1991). Penggunaan kontemporer membran dalam pengolahan susu telah ditinjau di International Dairy Federation special issues yang diterbitkan pada tahun 1991 dan 2004, dan oleh beberapa penulis lain (Moresi & Lo Presti, 2003; Rosenberg, 1995). Namun, kita harus mengakui bahwa tiga aplikasi telah membawa perubahan signifikan dalam industri susu di seluruh dunia, yaitu memproduksi susu dan bahan protein whey, pra-konsentrasi susu sebelum pembuatan keju, dan bakteri spora dan penghapusan susu untuk ESL. 3.1. Industri susu berbasis bahan protein Proses membran telah banyak digunakan untuk mengembangkan dan memproduksi susu berbasis bahan protein dari susu atau whey. Tabel 2 merangkum spektrum penyaringan yang dikenal

umum dari proses membran yang diterapkan untuk konstituen susu. MF, UF, NF dan membran RO yang ditandai dengan ukuran pori berkisar antara >0,1 m sampai