*ENEA Dipartimento Innovazione
**IN.TE.AM. S.r.l.

1. Introduzione

Il siero è il liquido che si separa dal latte dopo il processo di caseificazione; esso costituisce l'84-90% circa del volume di latte trasformato, a seconda del tipo di produzione casearia. La qualità del siero, da cui deriva anche il suo valore economico, dipende dalla composizione chimica e dalla relativa carica microbica. Il siero dolce è il più interessante ai fini del recupero dei costituenti organici e delle sieroproteine in particolare. Il siero in generale è un prodotto microbiologicamente instabile a causa delle fermentazioni batteriche endogene dovute ai batteri lattici, che inducono la trasformazione del lattosio in acido lattico. Questo fenomeno si evidenzia facilmente dalla misura del pH; che per un siero dolce scende da 6,5 a circa 4,2 nel giro di qualche ora, a seconda delle condizioni chimico-fisiche del siero e di quelle igieniche dello stabilimento (ambiente di lavoro).

Interventi chimici tesi a ripristinare le condizioni del siero di partenza, dopo l'innesco delle fermentazioni, possono alterare la composizione della polvere ottenuta nel processo di essiccamento del siero, che quindi potrebbe non rispettare le specifiche zootecniche e, a maggior ragione, quelle alimentari (1).

La carica inquinante del siero è molto alta (BOD = 35.000 mg/L; COD = 70.000 mg/L) quindi non può essere rilasciato liberamente sui terreni o in fogna, ma richiede un processo di depurazione. Un litro di siero di latte possiede una carica inquinante equivalente a quella degli effluenti prodotti da una persona nelle 24 ore.

L'impiego zootecnico del siero tal quale non risolve certo il problema dello smaltimento, anzi lo acuisce. Infatti, tale uso costituisce semplicemente la traslazione di uno stesso problema, dal siero alle deiezioni suine. È noto infatti che il siero, oltre a produrre patologie intestinali ed emorragie per gli animali, specialmente nei suini, genera una produzione di deiezioni elevata e più difficilmente trattabile sul piano della depurazione.

Il siero costituisce una fonte di sostanze alimentari nobili che, se valorizzate, possono costituire una vera e propria fonte di ricchezza, nonostante esso costituisca oggi un problema dei centri caseari per la difficoltà di controllarne il rilascio ambientale a norma di legge. Le aziende casearie si trovano ad affrontare da anni una grave emergenza ambientale dovuta alle difficoltà tecnico-economiche legate allo smaltimento dei reflui, dovendo rispettare le normative ambientali nazionali e comunitarie .

Attualmente le necessità di adeguamento alle normative nazionali, ed in particolar modo all'ultimo decreto Ronchi (D.P.R. del 05/02/1997 n. 22) pone i produttori di fronte alla necessità di adeguarsi alla normativa ambientale europea, sostenendo i costi del trattamento depurativo.

Si tratta di mettere a punto dei processi "ad hoc" che consentano il massimo recupero dei componenti chimici del siero, come prodotti alimentari o farmaceutici, superando la logica dei processi termici che portano all'ottenimento di polveri di siero grezzo destinate principalmente all'impiego zootecnico (2-3)

Per ottenere un ritorno economico dal trattamento del siero, è necessario mettere a punto dei processi "ad hoc" che consentano di massimizzare il recupero dei componenti chimici fra loro separati e ad elevato grado di purezza.

La scelta delle tecnologie di trattamento costituisce un passaggio importante ai fini del bilancio economico complessivo. Vanno necessariamente privileggiate quelle tecniche che permettono il massimo recupero delle componenti del siero, senza danneggiare le caratteristiche merceologiche e quindi commerciali dei prodotti finiti. (4-6).

La scala produttiva è un altro parametro importante per garantire i ritorni economici del processo, senza ricorrere al sostegno finanziario da parte di strutture pubbliche, pratica purtroppo molto in voga nel nostro paese. Con questo studio, definite alcune variabili come il tipo di siero, la sua composizione chimica e batteriologica, il processo di trattamento, la tipologia dei prodotti ottenuti, etc., si possono ottenere valutazione importanti per una stima economica complessiva del processo in oggetto.

2. Relazione

2.1 Composizione del siero campione

Il siero campione è quello prodotto dalla Cadelmonte S.r.l di Roverè Veronese; industria casearia con la quale l'ENEA ha sviluppato un programma di ricerca basato sullo sviluppo delle tecnologie di membrana (7). La composizione chimica e le caratteristiche chimico-fisiche del siero vaccino dolce, è riportata nella tabella 1.

Dalla tabella si ricava un contenuto in solidi totali del siero del 6,23 %, e del 93,77 % d'acqua. In sintesi, da 1 m³ di siero grezzo si possono ricavare le quantità di sostanze riportate in tabella 2.
 
 

2.2 Descrizione del processo

Dopo la fase di centrifugazione per la produzione di burro, il siero viene sottoposto al frazionamento selettivo con 4 diverse tecnologie di membrana : microfiltrazione (MF), ultrafiltrazione (UF), nanofiltrazione (NF) e osmosi inversa (OI).

Questa sequenza di trattamento, che prevede l'impiego di membrane gradualmente più selettive verso i soluti, è finalizzata a massimizzare il recupero delle componenti chimiche del siero, in particolare di sieroproteine, lattosio, sali minerali e acqua depurata, come dallo schema di figura 1.

Figura 1. Schema di frazionamento selettivo del siero

La MF (8) ha lo scopo di rimuovere la carica microbica a freddo in alternativa al processo tradizionale di pastorizzazione, che induce trasformazioni delle componenti proteiche dannose per la qualità del prodotto.

L'azione selettiva della membrana ceramica di MF consiste nel ritenere le particelle fosfolipidiche aggregate e la carica microbica, mentre permeano liberamente le altre componenti a più basso peso molecolare, in particolare le sieroproteine, il lattosio e i sali minerali. Le sieroproteine (SP) sono un prodotto ad alto valore aggiunto per le spiccate proprietà nutrizionali e funzionali che le rendono particolarmente adatte alla formulazione di specialità alimentari (paste, salse, baby food, maionesi, etc.) (9-10).

Le sieroproteine vengono recuperate con lo stadio successivo di ultrafiltrazione (11), impiegando una membrana polimerica con taglio molecolare (cut-off) di circa 20 Kdalton. Attraverso questa membrana permea il lattosio (P.M =342) e i sali minerali che vengono recuperati rispettivamente nello stadio di NF e di OI.

Il processo di NF (12) il permeato viene infatti trattato in osmosi inversa per ottenere un'acqua ultrapura (permeato) e un concentrato salino da reimpiegare nella salatura dei formaggi stagionati. In questo schema tutte le sostanze organiche e inorganiche del siero vengono recuperate selettivamente in modo da valorizzarne il valore commerciale.In questo processo l'impatto ambientare risulta trascurabile, poichè è dovuto unicamente alle acque di lavaggio dei moduli, delle tubazioni e dei recipienti (CIP).

2.3 Risultati sperimentali

In questo paragrafo si riportano in forma schematica le specifiche di ogni stadio di trattamento a membrana con i principali risultati sperimentali ottenuti.

Le caratteristiche dei moduli impiegati nei deiversi stadi sono riportati nella tabella.3.

2.3.1 Stadio di microfiltrazione

Le prestazioni del modulo ceramico, provato sul siero grezzo non pastorizzato, vengono riportate nella figura 2, in cui si grafica il flusso di permeato in funzione del tempo di MF. Nell'ordinata compare il flusso di permeato alla pressione efficace di lavoro, data dall'espressione Pe=Pi+Pu/2-Pp. Dove: Pe è la pressione efficace, Pi e Pe sono rispettivamente la pressione in ingresso e in uscita dal modulo e Pp è la contropressione sul lato permeato.

Nel processo di MF la portata di ricircolo (alimentazione della pompa) è di 8-9,5 m³/h, la temperatura viene stabilizzata intorno ai 25 °C. Nel processo si ottiene una reiezione alle proteine del 3%, un abbattimento della carica microbica (UCF/ml) compreso fra 99,9-97%, misurato rispettivamente all'inizio e alla fine della prova.

La reiezione indica la capacità percentuale della membrana di respingere il soluto considerato, nel caso specifiche le famiglie sieroproteiche.
 
 

2.3.2. Stadio di ultrafiltrazione

Le specifiche del modulo di UF impiegato, sono: Qr (portata di ricircolo) 2-3 (m³/h), P= 2 bar, VCR= 11, T= 25-40 °C.

La produttività del modulo di UF (flusso di permeato vs il tempo) è riportata in figura 3.

La diminuzione di flusso nel tempo dipende dal fenomeno d'intasamento dei pori (fouling), che interessa tutti i processi di filtrazione tangenziale considerati (11).

Tutti i grafici di flusso attraverso membrane, riportati in questa relazione sono stati ottenuti in condizioni di processo ottimizzate per la riduzione del fouling. Sono stati inoltre messi a punto metodi opportuni di lavaggio e condizionamento dei moduli, dopo i cicli operativi.
 
 

2.3.3 Stadio di nanofiltrazione

Le condizioni operative del processo di NF sono di seguito riportate.

Temperatura = 20 - 22 °C

Pressione = 24 bar

Portata di ricircolo = 2,5 (m³/h)

Concentrazione del lattosio nel retentato = 155 (g/L);

Reiezione media al lattosio = 99,8%;

Reiezione media al Na⁺ = 44%

Reiezione media al K⁺ = 51%

VCR = 4.

Nella figura 4 si riporta la produttività del modulodi NF.

2.3.3 Stadio di osmosi inversa

L’osmosi inversa (O.I.) è un processo di filtrazione selettiva dell’acqua, che si ottiene applicando una differenza di pressione superiore a quella osmotica della soluzione da purificare. In tal modo si ottiene un flusso di solvente (acqua) che è proporzionale alla differenza fra la pressione applicata e quella osmotica. L’OI è una tecnica utilizzabile per la separazione o la concentrazione di soluti sciolti in soluzioni acquose (13).

Le condizioni operative del processo di OI sono di seguito riportate: T = 20°C; P = 50 bar; Qr (portata di ricircolo) = 2,0 (m³/h); VCR = 4.

L'andamento del flusso di permeato nel tempo è riportato in figura 5.

Le caratteristiche chimico-fisiche dell'acqua recuperata (permeato di OI) sono di seguito riportate:

Conducibilità: 12 m s

COD: <50 mg/L

Lattosio: <0,2 g/L

Sodio: 19,0 mg/L

Potassio: 44,0 mg/L

Calcio: 1,2 mg/L

Magnesio: 0,6 mg/L

Litio: <0,01 mg/L

La composizione chimica dell'acqua recuperata è particolarmente interessante anche per impieghi particolari, come nel settore farmaceutico e biomedico.

Nella tabella 4 si riportano le composizioni degli effluenti separati nei tre stadi di trattamento a membrana (UF,NF,OI).
 

parametri	ret. UF	PERM. UF	ret. NF	PERM. NF	ret. OI	PERM OI
pH	6,3	6,3	6,2	6,0	5,8	5,4
COD (mg/L)	68.000	41.000	170.000	1.600	6.000	<50
Carica.(UFC/g)	5.000.000	45.000	160.000	6.000	19.000	200
Ceneri (g/L)	5,0	5,0	3,0	4,0	14,0	0,02
Grassi (g/L)	0,4	< 0,1	< 0,1	assenti	assenti	assenti
Lattosio (g/L)	49,0	42	155	<0,2	2,0	<0,2
Azoto totale (g/L)	9,9	0,28	0,52	0,22	0,23	0,1
NPN (g/L)	0,55	0,2	0,7	0,02	0,05	0,001
Residuo secco (g/L)	64,8	48	159,8	4,44	16,28	0.321

Tabella.4. Composizione delle frazioni ottenute con processi a membrana

Il lattosio si ottiene in forma cristallina, al 90 %, partendo dal concentrato di NF dopo evaporazione termica e cristallizzazione.
Mentre le sostanze organiche vengono recuperate in UF e in NF, i sali minerali (principalmente monovalenti) vengono trattenuti sostanzialmente dal processo di osmosi inversa.

3. Conclusioni

Il processo di frazionamento studiato prevede l'impiego in sequenza di tecnologie di membrana con taglio molecolare decrescente dalla MF all'OI, per svolgere operazioni unitarie finalizzate al recupero delle componenti del siero e alla contemporanea riduzione dell'impatto ambientale. La MF consente di bonificare il siero in modo da poter riutilizzare le sieroproteine ad alto valore aggiunto nell'industria alimentare senza procedere alla fase di pastorizzazione che comporterebbe un danneggiamento strutturale della matrice proteica e glucidica (reazione di Maillard). La NF permette la concentrazione del lattosio fino a 160 g/L, già purificato nella fase di UF, e la contemporanea, ma parziale demineralizzazione dell'effluente concentrato.

L'OI, eseguita sul permeato di NF, consente di produrre un'acqua ultrapura (permeato) con particolari caratteristiche chimico-fisiche, interessante per la produzione di bevande particolari o di soluzioni per applicazioni biomedico (dialisi renale, fleboclisi, etc.). Il concentrato di OI, ricco di sali monovalenti può essere impiegato, previa integrazione salina. per la salatura dei formaggi. Dal frazionamento selettivo del siero si recuperano composti che possono essere reimpiegati nella stessa azienda casearia o nel settore farmaceutico ( S.P, a -lattosio, acqua ultrapura).

Si ritiene che la sperimentazione eseguita, con impianti pilota significativi, possa essere utile per quelle industrie casearie che intendono sviluppare un nuovo processo innovativo di trattamento del siero di latte a impatto ambientale molto ridotto.

L'analisi costi benefici del processo è stata condotta in funzione di alcune variabili tecniche e commerciali (14). A parità di altre condizioni, il processo di trattamento diventa economicamente interessante a partire da una scala industriale che tratta un volume di siero superiore ai 50 m³/gg. Quando l'impianto raggiunge la scala di 300 m³/gg i rendimenti economici sfiorano l'80 % del valore dell'investimento e il pay back time degli impianti è dell'ordine di 2-3 anni. Trascurando l'aspetto ambientale, il processo di frazionamento del siero, con le tecnologie indicate, è tecnicamente fattibile ed economicamente vantaggioso a partire da una scala produttiva relativamente piccola (50 m³/gg di siero) ma fortemente rappresentativa del nostro settore caseario costituito da circa 2.500 caseifici sparsi sul territorio nazionale.

4. Bibliografia
1)    Comegna E., Disponibilità geografica del siero e attuali soluzioni di smaltimento; l’Aquila 6-6-94; Istituto Superiore Lattiero     Caseario di Lodi, (1994).

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