Мембранная технология – это испытанный метод разделения, осуществляемого на молекулярном и ионном уровнях. За тридцать лет, прошедших с начала 70-х годов, эта технология была адаптирована применительно для молочной промышленности.
Определения
Объяснения некоторых часто употребляемых терминов:
Загрузка (исходный продукт) – раствор, предназначенный для концентрирования или разделения.
Интенсивность потока – скорость получения отфильтрованной через мембрану жидкости, измеряемая в литрах на квадратный метр поверхности мембраны в час (л/м2/ч).
Загрязнение мембраны – осаждение твердых фракций на поверхности, которые нельзя удалить в процессе обработки.
Фильтрат (пермеат) – жидкость, прошедшая через мембрану.
Концентрат (ретентат) – жидкость, не прошедшая сквозь мембрану.
Коэффициент концентрации – уменьшение объема путем концентрации,т.е. отношение первоначального объема исходного продукта к конечному объему концентрата.
Диафильтрация – модификация ультрафильтрации, при которой к загружаемой жидкости добавляется вода для вымывания компонентов, которые проникнут через мембраны (в основном это лактоза и минеральные вещества).
Мембранная технология
В молочной промышленности мембранная технология главным образом ассоциируется соследующими технологическими процессами:
• Обратный осмос (ОО) – концентрирование растворов посредством удаления воды
• Нанофильтрация (НФ) – концентрация органических компонентов посредством удаления части моновалентных ионов, например, натрия и хлора (частичная деминерализация)
• Ультрафильтрация (УФ) – концентрация крупных молекул и макромолекул
• Микрофильтрация (МФ) – удаление бактерий разделением макромолекул
О диапазоне применения процессов мембранного разделения дает представление рисунок приведенный ниже
Во всех вышеназванных методах используется поперечная мембранная фильтрация потока, при которой загружаемый раствор пропускается сквозь мембрану под давлением.
Раствор проходит через мембрану, а твердая фракция (ретентат) задерживается, в то время как фильтрат (пермеат) удаляется. Мембраны классифицируются по предельному молекулярному весу пропускаемого вещества, то есть по молекулярному весу самой маленькой молекулы, которая не проникнет сквозь мембрану. Однако подбор мембраны осуществляется не только на основе этой ее характеристики.
Здесь следует отметить, что традиционная (общепринятая) фильтрация используется, как правило, для отделения взвешенных частиц крупнее 10 мкм, в то время как мембранная фильтрация отделяет частицы молекулярных размеров – меньше 10–4 мкм.
Назовем здесь некоторые из различий между двумя упомянутыми видами фильтрации.
• Применяемые фильтрующие средства:
Традиционные фильтры имеют большую толщину и открытую конструкцию. Материал – обычная бумага
Мембранные фильтры тонкие с возможностью контроля размером пор. Материал: полимеры или керамика, а также реже применяемый в настоящее время ацетат целлюлозы
• При традиционной фильтрации основным фактором, влияющим на отделение частиц, является сила тяжести. Давление применяется лишь с целью ускорения процесса. Поток разделяемой жидкости поступает перпендикулярно материалу фильтра. Фильтрацию можно проводить в открытых системах.
Основы мембранного разделения
Методы мембранного разделения в молочной промышленности предназначены для выполнения различных задач:
• ОО – применяется для дегидратации сыворотки, фильтрата УФ и конденсата УФ
• НФ – применяется, когда требуется частичное обессоливание сыворотки, фильтрата УФ или концентрата УФ
• УФ – обычно применяется для концентрации молочных протеинов в молоке и сыворотке и для нормализации по содержанию белка при производстве сыров, йогуртов и некоторых других продуктов
• МФ– в основном применяется для уменьшения количества бактерий в обезжиренном молоке, сыворотке и рассоле, а также для обезжиривания сыворотки, предназначенной для приготовления концентрата сывороточного белка (КСБ) и для фракционирования белков.
Фильтрационные модули
Фильтрационные модули, применяемые при мембранной фильтрации, могут различаться по конструкции, а именно:
Конструкция Типичное применение
Спиральная ОО, НФ, УФ
Пластинчато-рамная УФ, ОО
Трубчатая, основанная на полимерах УФ, ОО
Трубчатая, основанная на керамике МФ, УФ
Полое волокно УФ
Пластинчато-рамная конструкция
Эти системы состоят из мембран, закрепленных между пластинами, собранными в пакеты, подобно тому, как это сделано в обычных теплообменниках пластинчатого типа. Загружаемый материал прогоняется через очень узкие каналы, которые могут быть организованы под параллельные потоки или под перемежающиеся параллельные и последовательные потоки.
Обычно модуль поделен на отсеки, в каждом из которых поток движется параллельно между парами мембран. Отсеки отделены специальной опорной пластиной, в которой одно отверстие закрыто запорным диском, направляющим поток в противоположную сторону и обеспечивающим его последовательное продвижение по секторам. Существуют модули различных размеров.
Обычно мембраны изготавливают из полимеров.
Трубчатая конструкция – полимеры
Типовым примером трубчатых систем, применяемых в молочной промышленности, является система, разработанная компанией Paterson and Candy International Ltd. (PCI).
В модуль для ультрафильтрации фирмы PCI модуль входят перфорированные трубы размером 18 х 12,5 мм. Все 18 труб последовательно соединены и заключены в общий корпус. Внутри каждой перфорированной трубы, выполненной из нержавеющей стали и выдерживающей необходимое давление, находится сменная трубчатая вставка- мембрана. Фильтрат скапливается снаружи пучка труб – в кожухе из нержавеющей стали. Модуль может быть легко переоборудован для работы в режиме ОО из режима УФ.
Трубчатая конструкция – керамика
В молочной промышленности постепенно завоевывает позиции трубчатый вариант с керамическими мембранами, особенно в системах, предназначенных для уменьшения количества бактерий в молоке, сыворотке, концентрате сывороточного белка и рассоле.
Фильтрующий элемент, показанный на рисунке изготовлен из керамического материала французской фирмой SCT (Societe des Ceramiques Techniques/ Ceraver).
Тонкие стенки каналов выполнены из мелкозернистой керамики и представляют собой мембрану. Опорный материал – крупнозернистая керамика. При микрофильтрации с целью удаления бактерий в систему подается обезжиренное молоко (или цельное молоко для концентрирования жира, но это нежелательно в случае снижения содержания микроорганизмов).
Большая часть подаваемого в систему продукта (около 95%) проникает через мембрану, как фильтрат, являясь в данном случае обезжиренным и освобожденным от большей части бактерий молоком. А оставшийся ретентат (5%) – это “насыщенное” бактериями обезжиренное молоко. Фильтрующие элементы (1, 7 или 19 параллельно собранных элементов) смонтированы в одном модуле. Для производственных целей последовательно соединяются два модуля, образуя фильтрующую систему с одним насосом для циркуляции концентрата и одним – для циркуляции фильтрата (см. рис.).
Промышленный контур мембранной фильтрации состоит из:
– двух последовательно соединенных фильтрующих модулей
– одного циркуляционного насоса для концентрата
– одного циркуляционного насоса для фильтрата
В зависимости от производственной необходимости могут параллельно устанавливаться несколько фильтрующих систем.
Жидкость на высокой скорости закачивается в модули снизу. Очень высокое трансмембранное давление (ТМД) на входе быстро приводит к закупорке мембраны.
Опыт свидетельствует о том, что низкое трансмембранное давление приводит к гораздо лучшим результатам, но при обычной поперечно-поточной микрофильтрации низкое трансмембранное давление бывает только на выходе, то есть на очень незначительной части площади мембраны.
Для достижения оптимальных условий по всей площади мембраны была внедрена уникальная Система равномерного трансмембранного давления (СРТД), показанная на рисунке выше. Эта запатентованная система обеспечивает высокоскоростную циркуляцию фильтрата одновременно с концентратом внутри модуля, но вне элемента. Это обеспечивает равномерное трансмембранное давление на всей площади мембраны и, таким образом, ее оптимальное использование.
Применение данной системы позволяет достичь наилучшего результата, так как пространство между элементами внутри модуля, т.е. со стороны фильтрата, обычно пустует, а в СРТД оно заполнено пластмассовым зерном. Высокоскоростная циркуляция фильтрата приводит к падению давления внутри каналов. Снижение давления со стороны фильтрата регулируется фильтратным насосом и остается постоянным на протяжении всей работы установки.
Спиральная конструкция
Поскольку спиральная конструкция отличается от всех остальных вариантов мембранной фильтрации, применяемых в молочной промышленности, она требует более детального рассмотрения. Спиральный элемент состоит из одного или более мембранных “конвертов”, в каждый из которых входят два слоя мембраны, разделенных пористым материалом, способным пропускать фильтрат. Этот материал, являющийся прокладкой канала фильтрата, позволяет свободно течь фильтрату, просочившемуся сквозь мембрану. Два слоя мембраны, между которыми находится прокладка канала, герметизированы с двух краев и с одного конца и образуют таким образом мембранный “конверт”. Открытый конец конверта герметично присоединен к перфорированной трубе для сбора фильтрата.
Пластмассовый сетчатый материал, служащий прокладкой в канале для потока, прокачиваемого сквозь систему раствора, помещается вплотную к одной из сторон каждого мембранного конверта.
Благодаря сетчатому устройству прокладки также выступают в качестве генераторов турбулентности, необходимой для сохранения мембраны в чистом виде при относительно низких скоростях.
Затем весь узел навинчивается на перфорированную трубу для сбора фильтрата с целью формирования спиральной мембраны.
Спиральные мембраны оборудованы противосдвиговым
устройством, расположенным между нижними концами элементов мембраны с целью не допустить выскальзывания слоев под воздействием напора обрабатываемой жидкости. Внутри одной стальной трубы соединяются последовательно несколько элементов (обычно три). И мембрана, и прокладка для фильтрата изготавливаются из полимерных материалов.
Конструкция с полым волокном
Модули полого волокна представляют собой патроны, содержащие пучки элементов из полого волокна – от 45 до 3000 шт. в каждом патроне. Волокна уложены параллельно друг другу, их концы зафиксированы в полимерном материале и помещены в сборную трубу для фильтрата, изготовленную из эпоксидной смолы.
Внутренний диаметр мембраны может быть от 0,5 до 2,7 мм, а активная поверхность мембраны находится на внутренней стороне полого волокна. Наружная сторона полого волокна, в отличие от внутренней, имеет грубую структуру и служит в качестве опоры.
Поток обрабатываемой жидкости движется внутри этих волокон, а фильтрат собирается снаружи и удаляется через верхний отдел трубы.
Специфическое свойство этой конструкции – в ее способности самопромывки противотоком, что используется для очистки системы направленным в обратную сторону фильтратом для удаления осадка с поверхности мембраны. На рисунке показаны различные варианты применения модуля полых волокон.
Материал мембраны: полимеры.
Предел разделения мембран
Предел разделения мембран определяется минимальным весом молекулы, которая может быть отфильтрована. Мембрана может иметь определенный или размытый предел разделения, как это проиллюстрировано на рисунке для двух УФ мембран.
Аналогичный феномен наблюдается и в мембранных разделителях других типов, отличаясь лишь наклоном кривой. Мембраны с определенным пределом фильтрации отделяют все, что имеет определенно меньший молекулярный вес, тогда как мембраны с размытым пределом пропускают некоторые материалы с более высоким молекулярным весом и задерживают некоторые материалы с более низким молекулярным весом.
Точность фильтрации мембраны определяется размером пор и распределением размеров пор. Поскольку невозможно выполнить точное разделение по молекулярному весу или диаметру молекулы, порог фильтрации более или менее размыт.
Утверждение, что молекулярный вес определяет предел фильтрации, должно приниматься с некоторым допуском, поскольку имеет также значение и форма отделяемой частицы. Молекулу сферической формы отделить легче, чем частицу, имеющую вид цепочки.
Кроме того, макромолекулы – например, протеины – образуют “вторичную мембрану”, которая может реально влиять на размер задерживаемых молекул.
Прохождение материала сквозь мембрану
Скорость разделения зависит от следующих факторов:
• Сопротивление мембраны, которое является постоянной характеристикой каждой мембраны и определяется
– толщиной мембраны
– площадью поверхности
– диаметром пор.
• Сопротивление прохождению, т.е. поляризация или эффект загрязнения. Поляризация представляет собой эффект загрязнения (или связывания), который возникает на поверхности мембраны в процессе фильтрации.
Образование слоя осадка можно объяснить следующим образом:
• Крупные молекулы (т.е. протеин или жир) конвекционным путем наносятся на мембрану под прямым углом к направлению потока
• Градиент концентрации приводит к обратной диффузии в противоположном направлении
• Параллельно мембране протеины, присутствующие в примыкающем к ней слое, перемещаются со скоростями, меняющимися с ростом продольной скорости потока
• Эффект поляризации не распространяется равномерно по мембране, в особенности когда снижение давления порождает разные трансмембранные давления (ТМД) на поверхности мембраны. Поэтому первым начинает закупориваться начальный отрезок мембраны. Поляризация постепенно распространяется по всей поверхности мембраны, снижая ее пропускную способность и в конечном счете вынуждая останавливать установку и производить мойку
• Главный итог поляризации состоит в том, что по мере фильтрации скорость получения фильтрата снижается
• Воздействие поляризации может быть снижено применением обратной промывки, направлением потока в обратном направлении или методом равномерного ТМД (применимого в варианте с керамическими мембранами).
Значения давления
Давление – это движущая сила фильтрации, причем следует подчеркнуть принципиальную разницу между:
1 Падением гидравлического давления вдоль модуля Р = Р1 – Р2.
Чем больше величина Р, тем выше скорость прохождения через модуль, тем больше воздействие, направленное перпендикулярно мембранам, и тем меньше воздействие поляризации. Однако существуют ограничения, в том числе сопротивление мембраны давлению и стоимость насосов, способных обеспечивать как высокий расход, так и высокое давление.
2 Трансмембранное давление (ТМД) – это перепад давлений между двумя сторонами мембраны в какой-то конкретной точке. Основной критерий эффективности мембранной системы (интенсивность потока в л/м2/ч) является функцией ТМД.
ТМД, т.е. сила, проталкивающая фильтрат через мембрану, достигает своих максимальных значений на входе в модуль и минимальных – на выходе из него. Поскольку уменьшение ТМД носит линейный характер, среднее ТМД определяется следующей формулой:
Перепад гидравлического давления при прохождении сквозь мембрану (А) и профиль трансмембранного давления (В) показаны на рис. 6.4.16.
Конструктивные особенности
Успешное функционирование установок мембранной фильтрации в основном зависит от давления, создаваемого применяемыми насосами. В этой связи следует учитывать следующие рекомендации:
1. Производительность насоса (насосов) должна соответствовать требуемой скорости потока и характеристикам модуля (модулей), которые могут быть абсолютно различными – в зависимости от конструкции и размеров модуля.
2. Насос должен быть нечувствительным к изменениям в ограничениях модуля в отношении вязкости. Он также должен эффективно работать в интервале температур, применяемых для производства и мойки.
3. Насос должен полностью отвечать гигиеническим требованиям, предъявляемым к оборудованию, предназначенному для использования на молочных заводах.
Применяются насосы нескольких типов, в том числе центробежные насосы и объемные насосы. Пищевые центробежные насосы обычно применяются как подающие и циркуляционные насосы, а пищевые объемные насосы используются, как правило, в качестве подающих и циркуляционных насосов высокого давления для работы с жидкостями повышенной вязкости, то есть на конечных стадиях ультрафильтрации молочного сгустка.
Разделительные установки мембранного типа могут применяться и для периодического, и для непрерывного производства. Подаваемый раствор не должен содержать крупных частиц, которые могут повредить самый первый тонкий слой фильтрующей поверхности. Поэтому зачастую в питающую систему включается фильтр тонкой очистки (мелкоячеистое сито).
Периодическое производство
Установки для периодического производства в основном применяются для фильтрации небольших объемов продукта – например, в лабораториях и на экспериментальных заводах. Определенное количество продукта, предназначенного для обработки, заливается в буферный бак. Продукт циркулирует через мембранный сепаратор до тех пор, пока не будет получена необходимая концентрация.
Непрерывное производство
Схемы конструкций установок, работающих в непрерывном цикле. Конструкции спирального типа предназначены для функционирования в режимах ОО, НФ и УФ. Они оснащены полимерными мембранами с порами различного размера.
Установка оснащена керамическими мембранами и предназначена для микрофильтрации.
Поскольку мембраны, предназначенные для обратного осмоса, гораздо менее проницаемы, чем мембраны двух других систем, установки, которыми они оборудованы, требуют более высокого давления на входе. Оно обеспечивается тремя последовательно установленными пищевыми нагнетающими насосами центробежного типа и одним центробежным циркуляционным насосом.
У двух других фильтрационных установок – для нанофильтрации и ультрафильтрации проницаемость выше, и поэтому они могут обходиться двумя нагнетающими и одним циркуляционным насосами.
Как уже было сказано выше, в основу концепции микрофильтрации заложена последовательная работа двух элементов, составляющих один фильтрационный контур. В нее входит один центробежный насос для циркуляции концентрата и другой – для циркуляции фильтрата.
Загружаемый раствор может поступать из разделительной установки с системой обеспечения постоянного давления на выходе или из уравнительного бака, оборудованного насосом и системой управления производительностью.
Температура производственного процесса для мембранной фильтрации
В большинстве случаев рабочая температура при обработке продукта в молочных производствах составляет около 50°С. Обычно фильтрационные установки оборудуются простыми системами охлаждения. Такая система встраивается во внутренний циркуляционный контур для компенсации небольшого увеличения температуры, которое проходит во время работы установки, и для поддержания постоянной температуры обработки продукта.
