Обладнання для оброблення розчинів харчових продуктів мембранними методами.

План

1. Сутність основних мембранних методів.

2. Мембранні елементи і апарати з плоскими мембранами.

3. Мембранні апарати з рулонними елементами.

4. Мембранні елементи і установки з трубчастими мембранами.

5. Мембранні елементи і установки з капілярними мембранами.

1. Сутність основних мембранних методів

До основних мембранних методів, які застосовуються для оброблення рідких харчових продуктів, належать: зворотний осмос, нанофільтрація, ультрафільтрація, мікрофільтрація, первапорація та мембранна дистиляція [8,11,15,17,53,56,59].

Ці процеси (крім мікрофільтрації) відрізняються від звичайних процесів фільтрування тим, що в цьому випадку відбувається "фільтрування" на молекулярному рівні, тобто крізь мембрани розділяються компоненти гомогенних розчинів харчових продуктів, наприклад молекули сироваткових білків відділяються від молекул води і лактози (ультрафільтрація). Тому при описанні таких процесів вживається спеціальна термінологія, яка відображає цей процес розділення: ультра- і нанофільтрація, зворотний осмос, первапорація і мембранна

дистиляція. Крім того, коли ультратонке фільтрування колоїдно-диспергованих систем, тобто виділення з них часток розміром до 10 мкм, відбувається за допомогою мембран, то цей процес називають мікрофільтрацією.

Всі ці процеси базуються на застосуванні напівпроникних полімерних чи керамічних мембран, здатних при певних умовах розділяти розчин харчового продукту на його окремі компоненти. Так одержуються прісна вода з солоної (зворотний осмос); зм'якшена вода для виробництва лікеро-горілчаної продукції (нанофільтрація); концентрати харчових білків з сирної сироватки, концентрати желатинів та пектинів з їх розчинів, ферменти та інші біологічно-активні речовини, які застосовуються у харчовій промисловості (ультрафільтрація); високоочищені від колоїдно-диспергованих часток розміром 1...10 мкм розчини харчових продуктів, стерильні розчини лікарських препаратів (мікрофільтрація); паливний етанол та концентрати легких речовин (первапорація); концентрати молочного та бурякового цукрів, овочевих та фруктових соків і тощо, які одержуються з мінімальними витратами енергетичних ресурсів (мембранна дистиляція).

У цих процесах розділюваний розчин з відповідною температурою, швидкістю і тиском рухається в напірному мембранному каналі (трубчастий діаметром 5...25 мм; плоский з еквівалентним діаметром 1...5 мм чи капілярний з діаметром 0,5…2 мм). Частина розчину (розчинник і деякі розчинні в ньому речовини - пермеат) проходять крізь мембрану в дренажний канал, збільшуючи концентрацію розділюваного розчину, який у вигпаді концентрату або ретанту виводиться з напірного мембранного каналу (рис. 11.1).

При мікрофільтруванні не відбувається розділення розчину на молекулярному рівні. У цьому процесі з розчину видаляються мілкодисперсні частки твердої фази з розміром більше 0,2...0,45 мкм, а також гелі, віруси, бактерії та колоїди ( рис. 11.2.а).

У процесі ультрафільтрації мембрана затримує речовини з молекулярною масою вище 500 дальтонів і пропускає розчинник, низькомолекулярні речовини (рис. 11.2,6). При цьому відбувається два процеси: концентрування високомолекулярних речовин шляхом видалення розчинника і відокремлення від них (очищення) мікромолекул. Цільовим продуктом при цьому найчастіше є концентрат.

При ультрафільтрації селективність мембрани за низькомолекулярними речовинами близька до нуля, тобто концентрація цих речовин у розділюваному розчині і в пермеаті приблизно однакова. Нанофільтраційні мембрани вже мають певну селективність за низькомолекулярними речовинами. Так, в процесі водопідготовки вони можуть затримувати із селективністю 0,8...0,9 солі двохвалентних металів. За одновалентними аніонами і катіонами їх селективність може скласти 0,4...0,5.

При зворотному осмосі мембрана затримує практично всі речовини, що є компонентами розділюваного розчину, окрім розчинника. При цьому відбувається переважно процес концентрування речовин, що містяться в розчині. Цільовим продуктом при цьому можуть бути однаковою мірою і концентрат і пермеат (рис. 11,2,в).

Одним із групи мембранних методів є випаровування крізь непорувату мембрану або первапорація [8].

Первапорація 3/4 це процес мембранного розділення гомогенних рідких систем,

який обєднує розчинення та молекулярну дифузію летких компонентів системи у селективній непоруватій мембрані з їх випаровуванням на протилежному боці цій мембрани. Пара летких компонентів відводиться за рахунок вакуумування із боку пермеату або з потоком газу - носія та конденсується у виносному конденсаторі (рис. 11.3а,б). Якщо пара конденсується на охолоджуваній поверхні всередині мембранного модуля, то процес має назву термічної первапорації, або термопервапорації (рис. 113,в).

Мембранна дистиляція - це процес розділення розчинів органічних і неорганічних речовин крізь порувату мембрану, матеріал якої не змочується розчинником, під дією градієнта тиску парів розчинника по обидва боки мембрани. Процес відбувається шляхом випаровування розчинника в об'єм пори мембрани з наступним конденсуванням парів на протилежному боці цієї мембрани.

Основні схеми проведення процесу мембранної дистиляції подані нарис. 11.4. При контактній мембранній дистиляції (рис. 11.4, а) рідина контактує з обох боків

мембрани. Розчинник з гарячого розчину випаровується в об'єм пор мембрани, молекули пари дифундують під дією градієнта парціального тиску до протилежної сторони мембрани і конденсується на поверхні меніска холодної рідини.

При мембранній дистиляції з конденсацією пари на охолоджуваній поверхні молекули пари проходять крізь мембрану і конденсуються на поверхні металевої перегородки (рис. 11.4, б), яка охолоджується. Рідина, яка конденсується, при цьому не контактує з мембраною.

При вакуумній мембранній дистиляції (рис. 11.4, в) молекули пари розчинника відсмоктуються від поверхні мембрани і направляються в теплообмінник для конденсації.

При мембранній дистиляції у газовому потоці (рис. 11.4,г) молекули пари розчинника виносяться з дренажної камери модуля потоком інертного газу і подаються в теплообмінник для конденсації.

П ри осмотичній мембранній дистиляції (рис. 11.4 д) в дренажну камеру модуля подається розчин з більшим осмотичним тиском порівняно з розчином, що концентрується. При цьому молекули пари розчинника дифундують в об'ємі пори мембрани і конденсуються на поверхні меніску розчину з більшим осмотичним тиском.

Мембранна дистиляція може використовуватися для отримання чистої води, концентрування нелегких речовин, очищення стічних вод, виділення летких компонентів із розчинів, які містять і нелегкі речовини, розділення розбавлених водно-органічних сумішей і тощо.

Метод мембранної дистиляції може бути застосований для концентрування водних розчинів цукру. Концентрування цукрового сиропу при температурі 86°С характеризується продуктивністю за дистилятом 20...28кг/м²тод в інтервалі концентрацій сиропу від 16 до 40%.

Спостерігається більш ефективне використання процесу мембранної дистиляції при концентруванні мандаринового соку в порівнянні з процесом зворотного осмосу. Мембранна дистиляція дозволяє досягнути трикратного концентрування з послідовним зниженням продуктивності з 10 до 7 кг/м²тод (при зворотному осмосі середня за цикл продуктивність мембрани складає 5 кг/(м²тод).

При очищенні стічних вод підприємств харчової промисловості можуть бути отримані концентровані розчини цінних харчових компонентів. Так, обробка молочної сироватки з використанням мембранної дистиляції дала змогу отримати концентрат, який містить 300 г/л лактози, при продуктивності за дистилятом 0,43м³/(м²доб).