QUẢN lý CHẤT THẢI TRONG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM QUẢN lý và THU hồi sản PHẨM TRONG NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN sữa

Các nhà máy lớn chế biến đã cho phép sử dụng tự động hóa và hiệu quả hơn thiết bị - bao gồm cả việc sử dụng các quy trình chuyên biệt như màng quá trình lọc, trao đổi ion và làm khô hiện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

-o0o -QUẢN LÝ CHẤT THẢI TRONG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

QUẢN LÝ VÀ THU HỒI SẢN PHẨM TRONG NGÀNH CÔNG NGHỆ

CHẾ BIẾN SỮA

Hà Nội, 11/2020

QUẢN LÝ VÀ THU HỒI SẢN PHẨM TRONG NGÀNH CÔNG

NGHỆ CHẾ BIẾN SỮA.

Giới thiệu chung

Chế biến sữa ở các nước sản xuất sữa lớn đã được hợp lý hóa trong những năm gần đây, với xu hướng hướng tới các nhà máy lớn hơn nhưng ít nhà máy hoạt động hơn với

ít nhân viên hơn Do đó, hầu hết các nhà máy chế biến sữa đều khá lớn ở Châu Âu, Hoa Kỳ, Úc và New Zealand Các nhà máy lớn chế biến đã cho phép sử dụng tự động hóa và hiệu quả hơn thiết bị - bao gồm cả việc sử dụng các quy trình chuyên biệt như màng quá trình lọc, trao đổi ion và làm khô hiện đại, do đó làm tăng cơ hội để thu hồi chất rắn sữa đã được thải ra trước đây Ngoài ra, các hệ thống kiểm soát quy trình phức tạp đã cho phép cải thiện hiệu quả xử lý và tiết kiệm chi phí Tuy nhiên, sản xuất quy

mô lớn làm tăng gánh nặng môi trường đến các khu vực nhỏ hơn, chịu tác động của việc xử lý chất thải lỏng, tiếng ồn và khí thải khu vực lân cận nhà máy Ngoài ra, quá trình xử lý quy mô lớn cũng làm tăng yêu cầu phân phối đường dài, với các nhà máy tập trung cung cấp cho các khu vực địa lý rộng lớn, làm tăng thêm lượng khí thải nhà kính Ngành công nghiệp sữa đã tập trung nhiều vào việc sử dụng chất ngọt whey phô mai trong những năm qua Tuy nhiên, một số khía cạnh của việc xử lý chất thải tiếp tục rắc rối trong ngành sữa; bao gồm whey axit, bộ lọc nano thấm qua, sự kết tinh lactose, chất thải tại chỗ sạch và nước muối tái sinh trao đổi ion đã qua sử dụng Mặc

dù hạn chế việc sử dụng nhiều dòng sản phẩm phụ này là do lợi nhuận thấp và lợi thế

về quy mô, tiếp tục nghiên cứu và tối ưu hóa quy trình là cần thiết để vượt qua các rào cản công nghệ còn lại để tối đa hóa việc thu hồi các dòng phụ phẩm từ sữa

1 Xu hướng sản xuất sữa trên toàn thế giới

1.1 Sản phẩm sữa

Theo Công ty nghiên cứu thị trường EMR, thị trường sữa và các sản phẩm từ sữa trên toàn cầu sẽ tăng trưởng 2,5% mỗi năm

Báo cáo của Công ty nghiên cứu thị trường EMR với tựa đề: “Báo cáo và Triển vọng của thị trường sữa toàn cầu trong năm 2019-2024” dự báo rằng thị trường sữa và các sản phẩm từ sữa trên toàn cầu sẽ tăng trưởng 2,5% mỗi năm

Cho dù phải đối mặt với nhiều “làn gió ngược”, song nhu cầu tiêu thụ không ngừng gia tăng giúp ngành công nghiệp chế biến sữa đón nhận triển vọng khá lạc quan trong thời gian tới

Sữa là một phần quan trọng trong chuỗi thực phẩm mà con người sử dụng hàng ngày Với sự hiện diện rộng rãi trong các mặt hàng thực phẩm khác nhau, sữa được coi là một mô hình thu nhỏ của ngành công nghiệp thực phẩm, khi xu hướng ăn uống của người sử dụng sữa phần lớn cũng tác động tới các loại thực phẩm khác

Theo báo cáo của EMR, thị trường sữa vẫn đang trên đà tăng trưởng tích cực, chủ yếu được thúc đẩy bởi nhu cầu tiêu thụ sữa trên thế giới

Nhu cầu về sữa, đặc biệt là các sản phẩm từ sữa như bơ, sữa chua, phô mai… đang có

xu hướng “hồi sinh” tại các nước phát triển do nhiều người đã thay đổi thói quen ăn uống và có “thiện cảm” hơn với các sản phẩm sữa béo trong vài năm gần đây

Tại các nước đang phát triển, lượng tiêu thụ các sản phẩm từ sữa cũng được dự báo sẽ tăng nhờ thu nhập của người dân cao hơn, dân số phát triển mạnh và chế độ ăn uống ngày càng toàn cầu hóa

Ngoài ra, việc quy trình sản xuất sữa ngày càng hiệu quả và ổn định tại các nền kinh tế đang phát triển cũng góp phần hỗ trợ tích cực tới đà tăng trưởng của ngành chế biến sữa tại những thị trường này

Tuy nhiên, mức tiêu thụ sữa và các sản phẩm từ sữa bình quân đầu người ở các nền kinh tế mới nổi được dự báo sẽ tiếp tục thấp hơn nhiều so với các nước phát triển Các sản phẩm sữa tươi được tiêu thụ rộng rãi hơn tại các nền kinh tế mới nổi như Ấn

Độ và Pakistan, còn người tiêu dùng tại các nước phát triển có xu hướng chuộng các sản phẩm sữa qua chế biến

Ở các nước phát triển, hầu hết sữa sản xuất ra đều được chế biến thành phô mai, bơ, sữa bột gầy và sữa bột nguyên kem (SMP và WMP)

Châu Á là thị trường tiêu thụ sữa chủ lực và khu vực này cũng quyết định diễn biến của thị trường sữa toàn cầu

Trung Quốc, Ấn Độ và Pakistan là những thị trường sữa hàng đầu trong khu vực này, với tốc độ tăng trưởng sản lượng sữa chủ yếu từ Ấn Độ và Pakistan

Trong khi đó, Mỹ- một thị trường sữa lớn khác- cũng đang phục hồi sau thời kỳ khan hiếm nguồn cung sữa do hạn hán kéo dài

Trong khi đó, báo cáo mới nhất của ngân hàng Rabobank nhận định thị trường sữa toàn cầu có thể sẽ duy trì sự ổn định trong sáu tháng tới, với triển vọng nhu cầu tiêu thụ đủ mạnh để cân bằng với nguồn cung khá khiêm tốn

Tổng sản lượng sữa của bảy thị trường xuất khẩu sữa hàng đầu thế giới gồm Mỹ, Liên minh châu Âu (EU), New Zealand, Australia, Brazil, Argentina và Uruguay dự kiến sẽ tăng 0,8% vào đầu năm 2020

Đáng chú ý, các sản phẩm sữa không đường dự kiến sẽ đóng vai trò thúc đẩy đà tăng trưởng thị trường sữa trong những năm tới

Tại Mỹ, châu Âu và Trung Quốc, tỷ lệ dân số không sử dụng sữa có đường tương ứng

là hơn 5%, 10% và 90%

Tại những thị trường này, các sản phẩm sữa không chứa đường đang ngày càng phổ biến rộng rãi, bởi theo đa số người dân, các sản phẩm không chứa đường hoặc có hàm lượng đường thấp được coi là tốt cho sức khỏe

1.2 Sản phẩm từ sữa

Sữa có thể được chuyển đổi thành nhiều loại sản phẩm từ sữa- bao gồm các sản phẩm tươi như sữa biến tính, sữa chua, món tráng miệng và sữa trứng, hoặc các sản phẩm có thời hạn sử dụng lâu dài như pho mát hoặc bơ, sữa trường thọ, bột sữa và bột whey Nhìn chung, khoảng một phần ba lượng sữa thế giới được tiêu thụ dưới dạng sữa tươi trên thị trường; một phần tư được sử dụng trong sản xuất pho mát; 1/5 được chế biến thành bơ, sữa bột và casein Phần còn lại được chế biến thành các sản phẩm mềm hoặc đông lạnh, sữa cô đặc và cô đặc, hoặc các sản phẩm từ sữa khác

Xu hướng sản xuất pho mát, bơ, sữa bột tách béo (SMP) và sữa bột nguyên kem (WMP) đã được OECD FAO báo cáo, với dự báo đến năm 2024 cho thấy sản lượng pho mát đã tăng đều đặn so với các sản phẩm sữa khác, tăng 50% trong 20 năm tính đến năm 2024 Sản lượng pho mát được dự báo sẽ tiếp tục tăng hơn bất kỳ sản phẩm sữa nào khác, đạt 21 tấn vào năm 2024 (OECD 2015a) Trong khi đó, việc sản xuất SMP và WMP đã bị đình trệ Điều này phản ánh một xu hướng trên các thị trường sữa thế giới rời xa các mặt hàng số lượng lớn do nguồn cung dẫn đầu (SMP, bơ) cho các sản phẩm sữa giá trị gia tăng theo nhu cầu như pho mát (OECD 2014) Các quốc gia sản xuất pho mát chiếm ưu thế là Châu Âu và Hoa Kỳ, chiếm lần lượt 6 và 4 tấn trong tổng số 17 tấn pho mát được sản xuất Tăng sản lượng pho mát đã được thúc đẩy bởi những thay đổi trong tiêu thụ Những thay đổi này đến lượt nó được thúc đẩy bởi tăng trưởng thu nhập bình quân đầu người, nhưng cũng do toàn cầu hóa chế độ ăn Đã có những xu hướng chuyển đổi sang thức ăn nhanh và tiện lợi, dẫn đến việc tiêu thụ nhiều pho mát hơn, chẳng hạn như trong bánh mì kẹp thịt và bánh pizza Điều đáng chú ý ở đây là cứ một kg phô mai được tạo ra thì sẽ tạo ra 9 lít whey phế thải

2 Thực trạng rác thải của ngành công nghiệp sữa

Tác động của chế biến sữa đối với môi trường đã được tóm tắt trong giản đồ ở hình dưới đây

Hình 2.1 Tác động của chế biến sữa với môi trường.

Biểu đồ này cho thấy các đầu vào và đầu ra cho một nhà máy sản xuất sữa điển hình sản xuất sữa thị trường, bơ, sữa bột và pho mát Đầu vào bao gồm sữa tươi nguyên liệu, các thành phần khác, nước, năng lượng, chất tẩy rửa, chất làm lạnh và bao bì Đầu

ra bao gồm: sữa các sản phẩm; một loạt các loại nước thải dạng lỏng từ sữa như làm sạch tại chỗ (CIP) làm sạch chất thải, váng sữa pho mát và các chất tràn; khí thải như đốt cháy khí và bụi sữa bột; và chất thải rắn chẳng hạn như hàng tồn kho bị hư hỏng hoặc sản phẩm quá hạn sử dụng

2.1 Nước

Nước là nguyên liệu đầu vào quan trọng trong sản xuất sữa, được sử dụng để tưới đồng cỏ để sản xuất sữa và vệ sinh quá trình vắt sữa và chế biến sữa cơ sở vật chất Sử dụng nước trong chế biến sữa là bổ sung cho các yêu cầu chăn nuôi Các nhà máy sữa

sử dụng một lượng lớn nước, chủ yếu để làm sạch và vệ sinh, và sau đó tạo ra một lượng lớn chất thải lỏng Việc sử dụng nước được theo dõi bằng cách theo dõi lượng nước tiêu thụ tổng thể so với lượng sữa tươi Mô hình sử dụng nước cho một loại sữa thông thường trên thị trường bộ xử lý được thể hiện ở hình sau:

Hình 2.2 Hao phí nước cho các giai đoạn

Xu hướng giảm tiêu thụ nước là phản ánh của các nhà sản xuất nhận ra chi phí thực của nước Các thành phần tạo nên chi phí của nước bao gồm: giá mua, chi phí xử lý, sưởi ấm, xử lý chất thải nước, xử lý nước thải, chi phí bơm, bảo trì và vốn chi phí khấu hao

2.2 Năng lượng

Các nhà máy chế biến sữa lớn tiêu thụ một lượng năng lượng đáng kể trong chế biến, đóng gói và vận chuyển các sản phẩm sữa Điện được sử dụng cho hoạt động của máy móc, làm lạnh, thông gió, chiếu sáng và sản xuất khí nén Cũng như việc tiêu thụ nước, việc sử dụng năng lượng để làm mát và làm lạnh là điều quan trọng để đảm bảo chất lượng giữ tốt của các sản phẩm sữa Nhiệt độ bảo quản thường được quy định theo quy định Nhiệt năng, ở dạng hơi nước, được sử dụng để sưởi ấm và làm sạch Như cũng như làm cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch, việc tiêu thụ năng lượng khiến không khí

ô nhiễm và phát thải khí nhà kính, có liên quan đến toàn cầu sự nóng lên (UNEP 2000)

Mức tiêu thụ năng lượng cũng phụ thuộc vào từng loại sản phẩm Xử lý liên quan đến việc cô đặc và làm khô sữa, whey hoặc bơ sữa rất nhiều năng lượng Trong khi đó, việc sản xuất sữa thị trường liên quan đến chỉ một số xử lý nhiệt và đóng gói, do đó cần ít năng lượng hơn đáng kể, xem hình dưới đây:

Bảng 2.1 Năng lượng tiêu thụ cho từng loại sản phẩm

Các nhà máy sản xuất các sản phẩm từ sữa bột sử dụng nhiều loại hiệu quả năng lượng, tùy thuộc vào loại quá trình bay hơi và làm khô được sử dụng Năng lượng tiêu thụ phụ thuộc vào số lượng bay hơi hiệu ứng (số lượng đơn vị bay hơi được sử dụng trong chuỗi) và hiệu quả của máy sấy bột (UNEP 2000) Tiêu thụ năng lượng cũng phụ thuộc vào độ tuổi và quy mô của nhà máy cũng như mức độ tự động hóa Bảng 2.2 cho thấy các ví dụ về các hệ thống làm khô và bay hơi khác nhau Mức tiêu thụ nhiên liệu trên một đơn vị sản phẩm giảm do các nhà máy chế biến trở nên lớn hơn và tiết kiệm năng lượng hơn Tuy nhiên, ngành sữa cần phải đáp ứng nhanh hơn bằng cách sử dụng các nguồn tái tạo của năng lượng để đảm bảo tính bền vững lâu dài của ngành

Bảng 2.2 Năng lượng tiêu thụ của một số hệ thống làm khô và bay hơi

2.3 Khí thải nhà kính

Giảm phát thải khí nhà kính là một trong những cam kết chính được đưa ra tại Hội nghị thượng đỉnh về sữa thế giới IDF gần đây (Begg 2005) Đời sống nghiên cứu chu

kỳ về phát thải khí nhà kính đối với sữa thị trường ở Thụy Điển và Úc cho thấy phần lớn lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính xảy ra tại trang trại, 87% ở Thụy Điển và 70% ở Úc (Nicol 2004; Svenskmjolk 2004) (xem Bảng 2.3)

Bảng 2.3 Nguồn phát thải khí nhà kính tại Thụy Điển và Úc.

Khí thải trang trại bao gồm khí mê-tan từ bò và oxit nitơ từ quá trình khử nitơ nước thải và phân bón (Nicol 2004) Mêtan là được hình thành khi bò nhai lại và thức ăn được chia nhỏ trong lần đầu dạ dày và ruột Trong một năm, một con bò tạo ra 120–

130 kg khí metan thông qua quá trình tự nhiên này (Svenskmjolk 2004) Năng suất của

bò có tác động trực tiếp đến sự đóng góp tương đối của nhà kính phát thải khí so với

tổng lượng phát thải của vòng đời (Svenskmjolk 2004) Một con bò kiên cường thải ra nhiều khí mê-tan hơn một chút nhưng, tính trên mỗi kg sữa, bò cao sản thải ra ít khí nhà kính hơn Việc giảm khí nhà kính trong tương lai có thể đạt được bằng cách tăng năng suất bò với những cải tiến về dinh dưỡng, quản lý mục vụ và di truyền Khí nhà kính cũng được thải ra trong các phần khác của vòng đời Sữa Giao thông vận tải là yếu tố đóng góp lớn nhất tiếp theo, chủ yếu là do việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch được sử dụng để vận chuyển sữa tươi nguyên liệu đến nhà máy sau đó phân phối nó tiếp cận thị trường và người tiêu dùng, đặc biệt là ở Úc, nơi có khoảng cách có liên quan Bao bì cũng chiếm 4% diện tích nhà kính khí, với lượng khí thải mê-tan từ việc

xử lý các gói sữa chiếm khoảng 30%, trong khi 70% là khí thải carbon dioxide (Svenskmjolk 2004) Lượng khí thải nhà kính còn lại phát sinh từ quy trình sản xuất, tương đối thấp đối với sữa thị trường nhưng tăng đáng kể với quá trình xử lý tiêu tốn nhiều năng lượng như bay hơi và làm khô

2.4 Xử lý chất thải

Vấn đề môi trường chủ yếu do chế biến sữa gây ra là xả lượng lớn nước thải lỏng Chế biến sữa sản xuất chất thải từ các bước giặt và làm sạch, và từ sản phẩm không đúng thông số kỹ thuật Ví dụ về các nguồn thải từ chế biến sữa, pho mát và bột khô được trình bày trong Hình 2.3 sau:

Hình 2.3 Nguồn thải từ một số quy trình chế biến sản phẩm từ sữa

Lượng nước thải từ chế biến sữa phụ thuộc vào loại sản phẩm được sản xuất, quy mô hoạt động và liệu một nhà máy sử dụng quy trình hàng loạt hay liên tục (xem Bảng 2.4)

Bảng 2.4 Nước thải từ chế biến sữa

Quy trình hàng loạt nhỏ yêu cầu làm sạch thường xuyên hơn, với sự gia tăng tổn thất

do thay đổi sản phẩm, lỗ thoát nước và làm sạch Quá trình bay hơi có khả năng tạo ra tải trọng hữu cơ rất cao do tổn thất trong quá trình khởi động và tắt máy Phô mai whey, nếu không được sử dụng như một sản phẩm phụ, sẽ được thải ra ngoài cùng với nước thải và có thể có tác động đáng kể đến tải trọng hữu cơ của chất thải từ nhà máy Nước thải chế biến sữa thường thể hiện các đặc tính sau: tải lượng hữu cơ cao do sự hiện diện của các thành phần sữa; dao động trong pH do sự hiện diện của các chất làm sạch ăn da và axit và các chất khác hóa chất; hàm lượng nitơ và phốt pho cao và sự dao động của nhiệt độ (UNEP 2000) Chất thải từ sữa bao gồm dầu mỡ, đường, nitơ, phốt pho, hóa chất tẩy rửa có tính axit và ăn da; và chúng có tính sinh học cao nhu cầu oxy (BOD5) và nhu cầu oxy hóa học (COD) Thành phần của chất thải phản ánh sản phẩm sữa đang được chế biến và nó có thể xác định nguồn gốc của vấn đề chất thải bằng phân tích hóa học (xem Bảng 2.5)

Bảng 2.5 Thành phần chất thải trong các quy trình chế biến sữa

Tải lượng hữu cơ trong nước thải chế biến sữa thay đổi từ 180 đến 23 000 mg/L COD Giá trị thấp liên quan đến việc nhận sữa và cao giá trị phản ánh sự hiện diện của whey

từ quá trình sản xuất pho mát Điển hình mức trong dòng nước thải từ một nhà máy sản xuất kem và sữa, theo báo cáo của Scott và Smith (1997), cho thấy tải trọng vượt quá 9500 mg/L COD Lượng sữa thất thoát vào nước thải đầu ra có thể lên tới 0,5– 2,5% lượng sữa đầu vào sữa, nhưng có thể cao tới 3–4% (UNEP 2000) Xử lý và tiêu hủy chất thải sữa thường phụ thuộc vào địa điểm của nhà máy Các nhà máy nằm gần các khu đô thị thường xả nước thải vào hệ thống xử lý nước thải thành phố sau khi xử

lý sơ cấp để loại bỏ chất béo và chất rắn Đối với một số thành phố, nước thải từ các nhà máy chế biến sữa địa phương có thể là một tải trọng đáng kể đối với các nhà máy

xử lý nước thải Trong trường hợp cực đoan, tải lượng hữu cơ của chất rắn sữa thải đi vào nước thải hệ thống có thể vượt quá hệ thống rác thải sinh hoạt của thị trấn, quá tải

hệ thống Ở các vùng nông thôn, nước thải chế biến sữa có thể được tưới vào đất liền Nếu không được quản lý một cách chính xác, các muối hòa tan có trong nước thải có thể gây bất lợi ảnh hưởng đến cấu trúc đất và gây nhiễm mặn Các chất ô nhiễm trong nước thải cũng có thể rò rỉ vào nguồn nước ngầm bên dưới và ảnh hưởng đến chất lượng của nó Ở một số địa điểm, nước thải có thể được xả trực tiếp vào các vùng nước thông qua các cửa ra đại dương sâu

3 Sản xuất sạch trong công nghiệp sữa

Sản xuất sạch hơn là một cách tiếp cận phòng ngừa để quản lý môi trường bao gồm hiệu quả sinh thái, giảm thiểu chất thải và ô nhiễm phòng ngừa Sản xuất sạch hơn là hướng tới tương lai, ‘dự đoán và ngăn chặn’ Sản xuất sạch hơn không phủ nhận tăng trưởng; nó chỉ đơn thuần khẳng định rằng tăng trưởng phải bền vững về mặt sinh thái (UNEP 2004) Trong ngữ cảnh này, chất thải được coi là một ‘sản phẩm’ có giá trị kinh tế âm Mỗi hành động để giảm tiêu thụ nguyên liệu và năng lượng, và giảm phát lãng phí, tăng năng suất và tạo ra lợi ích tài chính Định nghĩa về Sản xuất sạch hơn được UNEP thông qua (2004) như sau:

Sản xuất sạch hơn là việc áp dụng liên tục một biện pháp phòng ngừa tích hợp chiến lược môi trường đến các quá trình, sản phẩm và dịch vụ để tăng tổng thể hiệu quả và giảm thiểu rủi ro đối với con người và môi trường Cho việc sản xuất quy trình Sản xuất sạch hơn là kết quả của một hoặc kết hợp giữa bảo tồn nguyên liệu thô, nước và năng lượng; loại bỏ nguyên độc hại và nguy hiểm vật liệu và giảm số lượng và độc tính của tất cả các khí thải và chất thải tại nguồn trong quá trình sản xuất.

Ngành sữa đang bắt đầu nhận ra giá trị của việc áp dụng các chiến lược Sản xuất sạch hơn nhằm cải thiện tính bền vững của hoạt động bằng cách giảm thiểu chất thải và thực hiện các quy trình hiệu quả hơn Các nguyên tắc này đã được phân loại Kỹ thuật Sản xuất sạch hơn vào các lĩnh vực sau: cải tiến vệ sinh, tối ưu hóa quy trình, công nghệ quy trình mới và thiết kế sản phẩm mới

3.1 Cải tiến vệ sinh

Bao gồm ngăn ngừa tràn và lãng phí, và cải thiện giám sát, đào tạo và kiểm kê