Курс лекций по ТОО молоко.3-4 курсы ИТФ

концентратов сывороточных белков, используемых в качестве добавок для продуктов детского и диетического питания, а также при производстве молочного сахара.

Мембраны, применяемые при микрофильтрации, задерживают кроме бактерий молочный жир. Размеры задерживаемых жировых шариков от 0,1 до 5,0 мкм (в молочной сыворотке — от 0,1 до 1,0 мкм) и молекулярная масса от 100 000 до 50 0 000.

Рассмотрим более подробно теоретические основы разделения обратным осмосом и ультрафильтрацией – процессов широко используемых в молочной промышленности.

В основе метода разделения растворов обратным осмосом лежит явление самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор (рис. 1). Если давление над раствором ниже осмотического (р < π), то растворитель будет переходить в раствор до достижения осмотического равновесия в системе.

Равновесное состояние наступает, когда гидростатическое давление между раствором и растворителем, определяемое разностью уровней, станет равным осмотическому давлению (р = π).

Если после достижения осмотического равновесия со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое (р > π), то растворитель начнет переходить из раствора в обратном направлении. В этом случае будет происходить обратный осмос. Растворитель, прошедший через мембрану, называется фильтратом.

Движущей силой процесса обратного осмоса является перепад давления р = р — π1 где р — избыточное давление под раствором; π1 — осмотическое давление раствора.

Если в процессе обратного осмоса наблюдается некоторый переход через мембрану растворенного вещества, то при расчете движущей силы следует учитывать осмотическое давление фильтрата прошедшего через мембрану.

Тогда р = р — (π1 – π2) = р — Δπ.

Для приближенного расчета осмотического давления может быть использована формула Вант-Гоффа

где х — мольная доля растворимого вещества; R — газовая постоянная; Т— абсолютная температура раствора, К.

171

сыворотки. Эти технологии находят применение во многих странах мира, в чем могут убедиться специалисты, активно изучающие зарубежный опыт.

Создание мембран нового поколения и современных баро- и электромембранных установок позволило реализовать на практике многие считающиеся в недалеком прошлом перспективными технологии. Динамика развития мембранной техники в мире показывает, что ежегодно объем рынка мембран и мембранного оборудования возрастает, например, в США - до 6- 7%, Евросоюзе - до 5-6 %, Азии (Япония, Южная Корея, Китай) и Океании (Новая Зеландия, Австралия) - до 4-5 %. Что касается видов мембранного оборудования, применяемых в молочной промышленности, то в последние годы большое внимание уделяется электродиализу (около 10 % мирового рынка сыворотки приходится на деминерализованную), обратному осмосу и нанофильтрации (концентрирование сыворотки, частичная деминерализация сыворотки), ультрафильтрации (получение несозревающих свежих и мягких сыров, крем-сыров, творога и творожных паст, молочно-белковых концентратов, концентратов сывороточных белков и микропартикулятов), микрофильтрации (для обработки рассолов в сыроделии) и др.

В производстве сухой молочной сыворотки используют комбинированные процессы: предварительную концентрацию до 20% СВ (сухих веществ) нанофильтрацией, с дальнейшим выпариванием (до 40-50% СВ) и сушкой.

Цельное молоко концентрируют ультрафильтрацией до30% при рН 6,4- 6,5 на четырехступенчатых установках мембранами рулонного типа, например при производстве сыра. При ультрафильтрации цельного молока в таких процессах отсутствует сыворотка и повышается выход сыра за счет сывороточных белков. Однако следует учитывать, что при отсутствии сыворотки появляется ультрафильтрат имеющий низкую кислотность (7-8 °Т) и содержание сухих веществ около 5,4 %, т.е. не имеющий в своем составе белка. Таким образом, выход сыра по технологии с ультрафильтрационным концентрированием повышается в 1,5-2 раза.

Ультрафильтрат молока в дальнейшем концентрируют на установке обратного осмоса до 16-18 % СВ и собирают в накопительный резервуар. Концентрат подвергают сгущению и сушке. В результате получается сухой пермеат, который используют как углеводный компонент в кондитерской промышленности.

При производстве сыров традиционным способом подсырную сыворотки сепарируют и собирают в накопительную емкость, сборная сыворотка имеет кислотность 10-12 °Т. Для концентрирования сборной сыворотки используют обратно-осмотическую установку рулонного типа с полимерными мембранами производительностью 15 ООО л/ч. Обратноосмотическое концентрирование осуществляется при 32-34 °С до содержания 16 % СВ.

Существует мнение, что мембранная техника подходит только для крупных предприятий. Однако следует привести пример небольшого предприятия, где ультрафильтрацию используют при производстве обезжиренных йогуртов (1000-1200 л) непосредственно при ферме. Молоко

174

сепарируют, термизируют, охлаждают до 50-55 °С и направляют на ультрафильтрацию. Производительность установки , рулонного типа - 500 кг. Мембраны полимерные. Обезжиренное молоко с концентрацией 14-16 % СВ поступает в ферментер, куда вносят закваску. Готовый продукт расфасовывают в пластиковые стаканчики (групповая упаковка по четыре штуки). Сроки хранения экологически чистого йогурта - 28 сут.

Аналогичные ультрафильтрационные установки с керамическими мембранами небольшой производительности используют во Франции, в том числе в учебных заведениях, занимающихся подготовкой и переподготовкой специалистов.

В РБ последние годы широко используют мембранные технологии для получения сухого концентрата сыворотки («Молочный мир», Щучинский маслосырзавод) и концентрации цельного молока перед сушкой (Витебский гормолзавод). На Слуцком сыродельном комбинате ООО «МегаПрофиЛайн» организована переработка подсырной сыворотки с использованием нанофильтрации. Объем переработки составляет 500-600 т в сутки. За счет нанофильтрации сыворотку концентрируют до 18-20 % СВ и частично деминерализуют (уровень обессоливания до 30 %). Потом концентрат сгущают на вакуум-выпарной установке до 50-55 % СВ и направляют на сушку. Получаемый продукт - сухая деминерализованная сыворотка (уровень деминерализации - 25 %).

Электромембранные технологии внедрены на Минском ГМЗ, где организовано производства сиропа лактулозы.

Схема переработки молока с получением основных молочных продуктов представлена на рис. 2. Основные технологические стадии — сепарирование молока с получением масла, ультрафильтрация обезжиренного молока и обратный осмос. Из концентрата обезжиренного молока получают ассортимент молочных продуктов. Использование мембранных аппаратов при переработке молока позволяет также решить проблему очистки сточных вод.

175

Рис. 2. Схема переработки молока

ВОПРОС №3. КОНСТРУКЦИИ МЕМБРАННЫХ УСТАНОВОК.

Мембраны должны обладать следующими свойствами: высокой разделяющей способностью (селективностью); высокой удельной производительностью (проницаемостью); постоянством своих характеристик в процессе эксплуатации; химической стойкостью в разделяющей среде; механической прочностью; невысокой стоимостью.

Мембраны изготовляют из различных материалов: полимерных пленок стекла, металлической фольги и т. д. Наиболее распространены мембраны из полимерных пленок.

Полупроницаемые мембраны бывают пористыми и непористыми. Через непористые мембраны растворитель и растворенные вещества проникают под действием градиента концентрации в результате молекулярной диффузии, поэтому эти мембраны называют диффузионными. Они представляют собой квазигомогенные гели. Скорость диффузии компонентов через эти мембраны зависит от энергии активации при взаимодействии частиц компонентов с материалом мембран, а также от подвижности отдельных звеньев мембранной матрицы и от размеров диффундирующих частиц. Она тем выше, чем сильнее набухает мембрана.

Скорость диффузии молекул через диффузионную мембрану прямо пропорциональна коэффициенту диффузии, который зависит от размеров молекул и их формы.

Диффузионные мембраны применяют для разделения компонентов с близкими свойствами, но с молекулами различных размеров.

Так как диффузионные мембраны не имеют капилляров, они не забиваются и их проницаемость остается постоянной в процессе разделения. Диффузионные мембраны обычно применяют для разделения газовых и жидких смесей методом испарения через мембрану.

Для проведения процессов обратного осмоса и ультрафильтрации применяют пористые мембраны в основном из полимерных материалов, которые могут быть анизотропными и изотропными.

Мембрана с анизотропной структурой состоит из тонкого поверхностного слоя на микропористой «подложке». Разделение происходит на поверхностном активном слое, и практически весь перепад давления приходится на этот слой. Изотропные мембраны образуются при облучении тонких полимерных пленок заряженными частицами с последующим травлением химическими реагентами. Выпускают изотропные мембраны на основе поликарбонатных пленок.

В промышленности применяют следующие полимерные мембраны: целлюлозные, на основе эфиров целлюлозы, акрилонитриловые, нейлоновые, поливинилхлоридные, изготовленные на основе поликарбонатов и полисульфонов.

176

Предложено несколько моделей механизма разделения растворов. Согласно капиллярно-фильтрационной модели механизма проницаемости, предложенной Ю. И. Дытнерским, очень большое влияние на процесс разделения растворов неорганические и органических веществ оказывает поверхностный слой жидкости. В зоне контакта жидкости и мембраны действуют поверхностные силы: прилипания, поверхностного и молекулярного притяжения, поэтому физикохимические свойства пограничного слоя жидкости у мембраны могут значительно отличаться от ее физико-химических свойств в объеме. С уменьшением толщины пограничного слоя эти различия возрастают.

На селективность и проницаемость мембран существенное влияние оказывает гидратирующая способность ионов. Гидратация заключается в том, что ионы растворенного вещества окружены растворителем и движутся с некоторой его частью, взаимодействующей с ним. Молекулы воды, расположенные в непосредственной близости от ионов растворенного вещества, образуют гидратную оболочку. На поверхности и внутри капилляров лиофильной мембраны образуется слой связанной воды толщиной δг, физикохимические свойства которой отличаются от характеристик жидкости в объеме. Наличие связанной воды в капиллярах мембраны является основной причиной непроходимости через мембрану молекул растворенных веществ, которые не растворяются в связанной воде.

Если диаметр капилляра мембраны d ≤ 2δг + dr.и (где dг.и — диаметр гидратированного иона), через такой капилляр будет проходить преимущественно только вода (рис. 3). Однако мембраны имеют капилляры разного размера, а связанная вода все же растворяет неорганические соли, поэтому селективность мембран будет ниже 100%.

Исходя из капиллярно-фильтрационной модели, явление обратного осмоса можно представить следующим образом: на поверхности и внутри капилляров гидрофильной полупроницаемой мембраны образуется слой связанной воды. Ионы солей в растворе при своем тепловом движении захватывают воду у поверхности мембран, образуя гидратные оболочки, и переносят ее таким образом в объем раствора. Снижение концентрации воды у поверхности мембраны, обращенной к раствору, компенсируется переходом чистой воды через мембрану, который будет происходить до тех пор, пока

177

силы, определяемые притяжением молекул воды к ионам, не будут уравновешены силами гидростатического давления со стороны раствора.

Рис.3. К объяснению механизма разделения полупраницаемой мембраной

Аппараты для обратного осмоса и ультрафильтрации бывают периодического и непрерывного действия. Аппараты периодического действия применяют, как правило, только в лабораторной практике. В промышленности работают проточные аппараты непрерывного действия.

Мембранные аппараты имеют большую удельную площадь поверхности разделения, просты в сборке и монтаже, надежны в работе. Перепад давления в аппаратах небольшой.

Недостатком аппаратов для обратного осмоса является высокое рабочее давление, что приводит к необходимости использования специальных уплотнений трубопроводов и арматуры, рассчитанных на высокое давление.

По способу расположения мембран аппараты делятся на аппараты типа «фильтр-пресс» с плоскокамерными фильтрующими элементами, аппараты с цилиндрическими и рулонными элементами и аппараты с мембранами в виде полых волокон.

Перечисленные аппараты состоят из отдельных секций или модулей, что позволяет их с разной площадью поверхности разделения.

178

Цилиндрический фильтрующий элемент (рис. 6) представляет собой сменный узел, собранный из полупроницаемой мембраны и дренажного каркаса, который состоит из трубы и пористой «подложки», исключающей вдавливание мембраны в дренажные каналы трубы. Изготовляют цилиндрические фильтрующие элементы трех типов: с расположением мембраны на внутренней поверхности дренажного каркаса, на внешней и с комбинированным расположением мембраны.

Рис. 5. Мембранный аппарат с цилиндрическими фильтрующими элементами

180