Трубчатая конструкция на керамике

Более современным фильтрационным модулем является трубчатая филь­трационная система с ке­рамическими мембранами (рис)., особенно в системах, предназначенная для уменьшения количества бактерий в молоке, сыворотке, концентрате сывороточного белка и рассоле.

Фильтрующий элемент, (рис.) изготовлен из керамического материала французской фирмой SCT (Société des Céramiques 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).

Основная 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. На рис. 6.4.7 показан такой модуль с 19 фильтрующими элементами, каждый из которых открыт с левой стороны модуля. Для производственных целей последовательно соединяются два модуля, образуя фильтрующую систему с одним

насосом для циркуляции концентрата и одним – для циркуляции фильтрата (см. рис. 6.4.10).

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.

Это явление проиллюстрировано на рис. 6.4.8, где показана обычная поперечно-поточная микрофильтрация. 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 рис. 6.4.9. 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

Рулонный спиральный фильтрующий аппарат состоит из одно­го или более «конвертов», в каждый из которых входят два слоя мембраны, разделенные пористым материалом, способным про­пускать фильтрат. Три края мембраны герметизированы и - образуют «конверт». Открытый край конверта герметично при­соединен к перфорированной трубе для сбора фильтата. Затем весь узел навинчивается на перфорированную трубу для сбора фильтрата в целях формирования спиральной мембраны. Послед­няя оборудована противосдвиговым устройством, которое препят­ствует выскальзыванию слоев под воздействием напора обрабаты­ваемой жидкости. Мембраны и пористый материал изготавливают из полимерных материалов. Фильтрационные модули спиральной конструкции можно использовать для обратного осмоса, нанофильтрации и ультрафильтрации.

Конструкция с полым волокном Мембранные аппараты на основе полых волокон представляют собой патроны, содержащие пучки элементов из полого волок­на — от 45 до 3000 штук в каждом патроне. Расположение полых волокон в фильтрующем модуле может быть различным. В молоч­ной промышленности получили распространение аппараты с па­раллельным расположением волокон. Волокна уложены парал­лельно друг другу, их концы зафиксированы в полимерном мате­риале и помещены в сборную трубу для фильтрата, изготовленную из эпоксидной смолы. Аппарат можно рассматривать как комплект трубчатых элементов. Наружная сторона полого волокна имеет грубую структуру и служит в качестве опоры. По­ток обрабатываемой жидкости движется внутри этих волокон, фильтрат собирается снаружи и удаляется через верхний отдел трубы. В таких аппаратах мембраны изготовлены из полимерных материалов.

Установки для фильтрации

Количество составляющих модуль мембран зависит от требуемой пропускной способности.

В установку для фильтрации входят резервуары, где содержится фильтруемая жидкость, и нагнетательный насос (насосы), обеспечивающий давление, необходимое для получения обратного потока жидкости (воды) через мембрану, т. е. реверсирование естественного давления. Применяются поршневые насосы, которые ранее использовались при гомогенизации, однако в системах ультрафильтрации с низким давлением могут использоваться лопастные насосы.

Мембранный модуль является ключевым узлом установки, а обрабаты­ваемая жидкость может концентрироваться в нескольких режимах работы модуля:

а) жидкость рециркулирует внутри модуля до получения пермеата нужной кон­центрации, после чего ретентат удаляют и заменяют новой порцией сырой жидкости; (применяют для концентрирования молока при производстве сыра или сыворотки);

в) жидкость обрабатывается непрерывно; возможно, для получения необходимой концентрации потребуется несколько модулей; (для предварительного концен­трирования сыворотки перед электродиализом, осуществляемым для снижения в ней концентрации солей; деминерализованную сыворотку используют, например, для изготовления продуктов детского питания);

г) жидкость сначала концентрируют в УФ-модулях, затем — в модулях для об­ратного осмоса; (используется для получения сы­вороточных концентратов, которые применяют для производства выпечных изделий или десертов, а также для распылительной сушки концентрата);

д) исходящие из УФ-модулей потоки могут быть обработаны в модулях для об­ратного осмоса в целях очистки воды (используют для очистки производственной воды, участвующей в процессе мембранной фильтрации, со­кращая таким образом расход водопроводной воды и уменьшая

Производство мембран и оборудования на их основе сосредоточено главным образом в трех регионах: США, Западная Европа и Япония, на долю которых приходится около 97 % всего производства и 75 % закупок, связанных с мембранной техникой. В настоящее время в этих регионах в мембранной промышленности занято около 100 фирм и предприятий, причем только 60 из них производят собственно мембраны и мембранные модули, а остальные осуществляют проектирование оборудования с использованием мембран в качестве элементов промышленных установок .

Россия, главным образом, импортирует мембранную технику, таких западных фирм как, «Миллипор» (США), Палл (Германия), «Кюно» (Франция), «Мембрафлоу» (Германия) и некоторых других компаний.

Однако в России имеется, хотя и недостаточно развитая - отечественная мембранная отрасль промышленности. Из производителей полимерных мембран в России следует отметить, в первую очередь, ЗАО НТЦ «Владипор» (г. Владимир, листовые и рулонные мембраны), ГП ВНИИПВ (г. Мытищи, полые волокна), ГНИИ «Кристалл» (г. Дзержинск, трубчатые мембраны).

Конкурентно способное производство мембранного оборудования в России относится, в основном, к процессам водоподготовки, где часто используются зарубежные мембраны и компоненты мембранного оборудования (компании «Национальные водные ресурсы» г. Москва, «Медиано-Фильтр» г.Москва и др.) а также к процессам ультрафильтрации с использованием полимерных мембран в медицинской и пищевой промышленностях, например, фирмы «Владисарт» (г. Владимир).

В 70-х годах на рынке мембран Европы, США и Японии появились ке­рамические мембраны. Керамические мембраны, создаваемые обычно на основе оксидов, нит­ридов и карбидов ряда металлов, предназначались для микро- и ультра­фильтрации различных жидкостей, агрессивных по своей природе или тре­бующих для осуществления эффективных процессов разделения их нагрева до температур свыше 100 градусов Цельсия, где полимерные (органичес­кие) мембраны теряют свои свойства или разрушаются. Кроме высокой тем­пературной стабильности, существует еще целый ряд характерных для ке­рамических мембран свойств , среди которых свойств в первую очередь следует отметить:

- механическую стабильность;

- стойкость к химическому и микробиологическому воздействию;

- стабильность создаваемых структурных пор и возможность ак­тивного управления ими в процессе производства мембран;

- возможность использования обратных потоков через мембрану;

- высокая пропускная способность мембран;

- большой срок службы.

Несмотря на доминирующие позиции полимерных мембран в биотехноло­гических секторах промышленности на Западе, керамические мембраны начинают постепенно проникать в эти отрасли благодаря тому, что они в меньшей степени воздействуют на свертывание белков на поверхности мембран, а также позволяют многократно проводить их стерилизацию па­ром. Широкое применения керамические мембраны находят при фильтрации промышленных сточных вод, в частности в Германии, где сильно развита металлообрабатывающая промышленность.

В России в настоящее время существуют небольшие производства (300-500 м²/год) конкурентно способных по качеству неорганических мембран, например, ООО «НПО «Керамикфильтр» (г. Москва, трубчатые керамические мембраны) и ГУП НПЦ «Ультрам» (г.Москва, листовые металлокерамические мембраны).

3.ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛУПРОНИЦАЕМЫХ МЕМБРАН

Полупроницаемая мембрана является главным элементом мем­бранных аппаратов. От свойств и характеристик полупроницае­мых мембран зависит эффективность мембранных процессов. При эксплуатации важно определить влияние на свойства мембран рН обрабатываемого раствора, температуры и давления, при которых происходит разделение растворов.

Аце­татцеллюлозные мембраны эксплуатируют в диапазоне темпер от 0 до 50 "С и рН от 3 до 8.

Недостатками этих мембран явля­ются узкий рабочий диапазон температуры и рН, а также низкая механическая прочность, уменьшающая срок их эксплуатации. Это создает трудности для мойки и дезинфекции мембранного оборудования.

Применение других полимерных материалов (ароматических полиамидов, полисульфонов, сополиамидов и др.) для изготовле­ния мембран позволило улучшить характеристики последних и расширить диапазон температур и рН. Мембраны, изготовленные из этих материалов, можно эксплуатировать в диапазоне температур от 0 до 80 °С и рН от 2 до 12. Такие мембраны устойчивы к воз­действию моющих и дезинфицирующих средств и сжатию под давлением. Структура мембран идентична ацетатцеллюлозным. Для повышения прочностных свойств макропористой основой в таких мембранах служат нетканые материалы — тонкий или тол­стый капрон, пропилен, а микропористым фильтрующим слоем, который наносят на эту подложку, — названные полимерные ма­териалы.

Полупроницаемыми мембранами могут служить ядерные фильтры, имеющие регулируемую пористую структуру. Ядерные фильтры изготавливают из полиэтилентерефталатной (лавсано­вой) пленки толщиной до 10мкм и диаметром пор от 0,01 до 2,5 мкм путем облучения этой пленки потоком ускоренных тяже­лых ионов и последующего травления растворами щелочей. Филь­тры могут выдерживать воздействие температур до 200 °С и ста­бильны в диапазоне рН от 1 до 14.

В последние годы созданы полупроницаемые мембраны из ме­таллокерамики, стекла, оксидов металлов и некоторых других ма­териалов. Они обладают высокой механической прочностью, тер­мостойкостью (до 200 °С), химической стойкостью в диапазоне рН от 0 до 14, стойкостью к высокому давлению и т.д., что создает условия для их длительной эксплуатации.

Основные характеристики полупроницаемых мембран — пре­дел (селективность) и скорость разделения.

Предел разделения мембран выражает задерживающую способ­ность мембран по конкретному компоненту молочного сырья (жир, белок, лактоза, минеральные вещества и т.д.):

R = (rc – r ф) /rc

где г_с — массовая доля определяемого компонента в исходном сырье;

г_ф — массо­вая доля определяемого компонента в фильтрате.

Предел разделения мембран определяется минимальной моле­кулярной массой молекулы, которая может быть отфильтрована. Кроме того, имеет значение форма отделяемой частицы, так как молекулу сферической формы отделить легче, чем молекулу вытя­нутой формы. Нужно принимать во внимание и наличие гелевого (белково-минерального) слоя, появляющегося в результате про­пускания молочного сырья через мембраны и влияющего на раз­мер задерживаемых частиц при дальнейшей фильтрации.

Полупроницаемая мембрана может иметь определенный или размытый предел разделения. Мембраны с определенным преде­лом разделения отделяют все частицы с определенной молеку­лярной массой. Мембраны с размытым пределом разделения пропускают некоторые частицы с более высокой молекулярной массой и задерживают частицы с более низкой молекулярной массой.

Предел разделения мембраны зависит от диаметра пор в фильт­рующем слое и диаметра молекулы задерживаемого вещества. Точность фильтрации мембран определяется размером пор и рас­пределением размера пор. Порог фильтрации более или менее размыт, так как невозможно выполнить точное разделение по мо­лекулярной массе или диаметру молекулы.

Скорость разделения компонентов молочного сырья при мемб­ранной фильтрации зависит от характеристики используемых мембран, т. е. от толщины мембраны, площади ее поверхности и диаметра пор. Скорость разделения зависит также от парамет­ров эксплуатации фильтрационных модулей, а именно от дав­ления, рН, температуры и гидродинамических показателей раз­деления.

Эффективная работа установки с пористой мембраной зависит от условий экс­плуатации и ежедневных процедур очистки. Это - давление, температура, рН, концент­рация и состав чистящих растворов, включая ферменты, а также профилактиче­ские процедуры.

объем сточных вод).

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

Рис. 6.4.16 Перепады гидравлического (А) и трансмембранного (В)

давлений на мембране.

TMД = – P3

P1+ P2

TMД = – P3

P1+ P2

2 P = P1 – P2

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).

Применение ультрафильтрации в сыроделии

Предварительная УФ-обработка молока способствует повышению содержания в нем молочного белка и жира, хотя ее легче проводить для обезжиренного, а не для цельного молока; при этом пермеат будет представлять собой сладкий раствор лактозы и минеральных веществ, содержащий следы низкомолекулярных соединений. Со­хранение сывороточных белков позволяет увеличить выход продукции и стандартизиро­вать сыры по более низкому отношению белка и жира. Такой метод эффективен при выра­ботке мягких и некоторых полутвердых сыров (сен-полен).

Следует учитывать, что степень концентрирования мо­лока для выработки твердого сыра без отделения сыворотки все-таки недостаточна.

6. ЭФФЕКТИВНОСТЬ МЕМБРАННОЙ ФИЛЬТРАЦИИ

Эффективная работа установки с пористой мембраной зависит от условий экс­плуатации и ежедневных процедур очистки, которые описаны в подробных инструк­циях по использованию мембран (концент­рация и состав чистящих растворов, включая ферменты, а также профилактиче­ские процедуры).

Эффективность мембранной фильтрации зависит от давления , температуры и рН молсырья.

Давление. Движущей силой мембранной фильтрации является дав­ление. Это – баромембранная фильтрация. Различают два вида давления, воздействующие на об­рабатываемую жидкость: гидравлическое и трансмембранное.

Гидравлическое давление действует вдоль фильтрационного мо­дуля. При этом скорость фильтрации зависит от падения гидравлического давления, т.е. разности давлений р ₁ — давления на входе исходного продук­та; p — давления на выходе концентрата. Чем выше р₁, тем выше скорость прохождения через модуль, тем больше воздействие, на­правленное перпендикулярно мембранам, и тем меньше оседание веществ около пор –( воздей­ствие поляризации).

Трансмембранное давление — это перепад давлений между двумя сторонами мембраны в какой-то конкретной точке. В результате этого перепада возникает сила, проталкивающая фильтрат через мембрану.

По мере концентрирования сухих веществ при фильтрации, на поверхности мембран образуется поляризацион­ный пограничный слой (осадок) с высокой концентрацией ра­створенных веществ, который начинает оказывать сопротивление потоку фильтрата.

Увеличивается осмотическое давление и скопление молекул образует студенистую массу, которая может закупорить аппарат и потребуется остановка для очистки.

Эффект поляризации распространяется по мем­бране неравномерно, с нарастанием.

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).

Поляризацию можно устранять (уменьшать), создавая гидродинамические завихрения (удары), которые приводят к прерыванию среды у поверхности раздела пористого носителя и раствора.

В непрерывных УФ -установках давление фильтрации необходимо снижать при переходе от ступени к ступени, чтобы не уплотнять поляризационный слой, оказывающий сопротивление фильтрации.

Влияние температуры. На эффективность и скорость мембранной фильтрации влияет температура молочного сырья.

При повышении температуры до 60 °С

¾ усиливается броу­новское движение,

¾ возрастает диффузия раство­ров через полупроницаемую мембрану и процесс ультрафильтрации интенсифицируется.

¾ снижается вязкость обрабатываемой жидкости, что также способствует повышению скорости фильтрации.

Но нагрев выше 60 "С приводит

¾ к денатурации белков;

¾ увеличению белкового поляризацион­ного слоя и, соответственно, к снижению скорости фильтрации

¾ к изменению полимерной структуры мембран, и ухудшению проницаемости мембран, а сл-но, снижению эффективности мембранной фильтрации.

Влияние активной кислотности. Установлено, что с понижением рН (увеличением титруемой кислотности) обезжиренного молока скорость ультрафильтрации уменьшает­ся. Это объясняется тем, что при снижении рН обезжиренного молока до 4,6—4,7 (изоэлектрическая точка казеина) происходят коагуляция казеина, увеличение вязкости и снижение скорости ультрафильтрации.

Но порог коагуляции молочных белков снижа­ется при понижении температуры. Коагуляция белков и образование гелевого слоя происходят при условиях, выраженных формулой

рН = 4,28 + 0,027t,

где t— температура обрабатываемой жидкости.

Для предотвращения быстрого образования молочно-белкового геля на поверхности мембран при ультрафильтрации необходимо выбирать температуру в зависимости от рН молочного сырья.

Кроме того, процесс ультрафильтрации, например при получении концентрата сывороточных белков, желательно проводить при значениях рН молочного сырья в пределах 6,5—6,7.

Скорость разделения зависит от следующих факторов:

•Сопротивление мембраны, которое является постоянной характеристикой каждой

мембраны и определяется

– толщиной мембраны

– площадью поверхности

– диаметром пор.

•