Ультрафільтрація

ПОМОЩЬЮ МЕМБРАН

УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИЯ

Ультрафильтрация  является одним из видов мембранной технологии, применяемой в пищевой промышленности. Различные виды' мембранной технологии различаются между собой в зависимости от величины пор применяемых мембран (табл. 10).

M и к р о ф и ль тір а ц и я—-процесс отделения взвешенных частиц, частей клеток и др. от жидкой или газообразной среды путем пропуска через мембраны.

Улътрафильтрация —• процесс разделения жидкой среды на высоко- и низкомолекулярные соединения с помощью мембран, которые пропускают низкомолекулярные соединения и задерживают высокомолекулярные, в том числе коллоидно-растворимые микромолекулы, такие, как полисахариды и протеины.

ХАРАКТЕРИСТИКА  МЕМБРАН

Обратный  осмос — процесс отделения растворителя от растворенного в нем вещества с помощью мембран, которые пропускают молекулы растворителя, а частицы, молекулы и ионы растворенных веществ задерживают. Около 99,5 % солей и низкомолекулярных веществ (молекулярная масса 100) остается в концентрате.

Э л  е кт р о д и а л и  з — процесс, при котором ионогенные вещества разделяются при прохождении через ионообменные мембраны под действием разницы в электрических потенциалах.

На  рис. 26 схематично показано действие мембран при обратном осмосе, ультрафильтрации и микрофильтрации.

Мембраны. По форме мембраны могут быть плоские, трубчатые и из полых волокон. Мембраны изготовляют из ацетата целлюлозы, синтетических полимеров (полисульфиды, поликарбонаты, полиакрилаты|идр,),, керамики и металла. Ацетатцеллюлозные мембраны имеют меньшую долговечность и химическую устойчивость по сравнению с мембранами из синтетических полимеров, менее устойчивы к повышенным температурам.

В последние  годы стали изготовлять и использовать интерполимерные, минеральные (керамические) и металлические мембраны. Керамические мембраны имеют хорошую химическую, термическую и механическую устойчивость (20 МПа) и длительный срок эксплуатации. Наиболее перспективными являются металлические мембраны. Их изготовляют из металлического порошка или тонкого металлического (а-алюминий) листа, перфорированного лазером.

Мембраны  характеризуют по двум основным показателям: производительности (пропускной способности) и селективности (избирательности). Производительность мембраны Q равна количеству фильтрата У, прошедшего за единицу времени t через единицу рабочей поверхности F мембраны:

Q=V I {Ft).

Селективность характеризует разделяющую способность мембраны и выражается в процентном соотношении концентрации вещества в растворе с обеих сторон мембраны. Селективность мембран определяют чаще всего по растворам хлорида натрия и сахара.

При традиционном способе поток жидкости, подлежащей фильтрованию, подают вертикально в верхнюю часть фильтра. Фильтрование происходит в глубине слоя, а сверху на фильтрующую поверхность наслаивается толстый слой осадка, затрудняющий фильтрование. При мембранном фильтровании поток фильтруемой жидкости подают горизонтально и вдоль мембраны, и вследствие турбулентного движения жидкости на эффективный фильтрационный слой мембраны почти не оседает осадок, который мог бы засорять поры. Этот способ фильтрования известен под названием тангенциальное фильтрование (рис. 27).

При тангенциальном фильтровании вещества, не прошедшие  через мембрану, захватываются тангенциальным движением потока жидкости и в круговороте фильтруемой среды непрерывно концентрируются.

Мембраны  изготавливают с определенными, однородными по величине порами, от чего зависит их разделяющая способность. Разделяющую способность мембран для ультрафильтрации характеризуют молекулярной массой (ММ) веществ, которые проходят через их

V₀⁰OO⁰₀ ^o^O⁰₀^oO⁰O °о⁰о⁰ов°о«о SO QOO OqOo OQqOO о о о о О Q о о

ишм

Рис. '2(7. Схема потока фильтруемой жидкости при фильтровании:

а — традиционным способом; б — тангенциальном

поры. В  настоящее время изготовляют  мембраны для ультрафильтрации, разделяющая  способность которых находится  в границах между 500 и 1 ООО ООО ММ.

Модули. Мембраны монтируют в разные по конструкции фильтровальные устройства «модули». В настоящее время создано четыре типа модулей: пластинчатые, трубчатые, рулонные и из полых волокон.

Пластинчатые  рамные модули построены по принципу пластинчатых аппаратов; изготовляются прямоугольной, круглой или эллипсовидной формы с горизонтально или вертикально поставленными пластинами. Основной их недостаток — длительное время для замены поврежденных мембран и высокие потери давления; движение жидкости преимущественно ламинарное.

Трубчатые модули построены по принципу трубчатых аппаратов; имеют трубы с внутренним диаметром 12,5—25,4 мм, длиной 5 м. Мембрана находится с внутренней стороны трубы, через которую течет фильтруемая жидкость. Модуль может состоять из одной или нескольких (2—18) труб. Преимущества трубчатого модуля — удобная и простая форма, интенсивное турбулентное движение жидкости, невысокая степень забивания пор мембраны, легкие контроль процесса и очистка; недостатки — большой расход электроэнергии и низкая компактность.

Рулонные  модули состоят из так называемых мембранных карманов, в которых находятся слои пористого материала для подвода фильтрата к отводной 
трубе модуля. Между мембранами размещен слой сетчатого материала, который увеличивает расстояние между мембранами и вызывает известную турбулентность текущей жидкости. При изготовлении модуля мембранные карманы с пористыми и сетчатыми слоями в них навивают в виде рулона вокруг отводной трубы, которая перфорирована. Полученный рулон диаметром 12 см и длиной 90 см затем помещают в цилиндр.

В рулонных модулях турбулентность фильтруемой  жидкости хорошая, они компактны  и расходуют мало энергии, при  повреждении мембраны легко заменить. Недостатки модулей — в значительной потере давления.

Модули  из полых волокон состоят из полимерных полых волокон, собранных в пучки, уложенных в цилиндр и закрепленных с обеих сторон пластинами. Внутренний диаметр полых волокон от 0,6 до 2 мм. Активный фильтрующий слой может быть с внутренней или внешней стороны полого волокна, в связи с чем фильтрование может проходить двумя способами: изнутри — наружу через подачу жидкости для фильтрования в полые волокна или снаружи — внутрь путем подачи жидкости для фильтрования в цилиндр между пучками волокон, при этом фильтрат отводится из внутренних полостей волокон. Эти модули имеют хорошую компактность; движение жидкости в них ламинарное; волокна быстро загрязняются и их очень трудно очищать; при замене одного волокна необходимо сменить весь модуль; не подходят для обработки жидкостей, содержащих твердые частицы.

Модули  выпускают с разной фильтрующей  поверхностью, они могут иметь одну, две, три и более секций, включенных параллельно, последовательно или смешанно.

Установка для ультрафильтрации или обратного  осмоса включает приемный резервуар для продукта, подлежащего фильтрованию, питающий насос, циркуляционный насос, систему модулей, теплообменник и контрольно-измерительные приборы (давления и температуры).

Фильтрование  через мембраны (УФ, 00) может осуществляться тремя способами: периодическим, полунепрерывным и непрерывным.

Рис. 28. Схема периодического способа ультрафильтрадии:

j — фильтрующие патроны; 2 — фильтр; 3— насосы; 4 — резервуар

Периодический способ (рис. 28), несмотря на высокую производительность, простоту и низкую стоимость установки, имеет ограниченное применение ввиду продолжительной рециркуляции и задержки продукта в течение всего времени фильтрования, что может привести к физико-химическим и микробиологическим изменениям. Кроме того, при этом способе необходимо иметь крупный резервуар.

Полунепрерывный способ менее продолжительный; продукт непрерывно подается в резервуар для рециркуляции, и это снижает время нахождения продукта в'ультрафильтрационной установке. Производительность способа несколько ниже периодического, но несколько выше непрерывного. Установка дешевая и несложная. Установки по ультрафильтрации соков и напитков работают по этому способу.

Непрерывный способ осуществляется чаще всего при двух и более установках для УФ. Продукт находится в установке всего несколько минут. Производительность способа ниже первых двух, а стоимость более высокая.

В соковой  промышленности мембранная технология нашла применение для разных целей: ультрафильтра- ция — для осветления соков, обратный осмос — для концентрирования соков, электродиализ — для снижения кислотности, микрофильтрация — для фильтрования соков. Наиболее широко внедряется ультрафильтрация, для которой промышленные установки выпускаются многими фирмами. Наиболее часто ультрафильт-

рация применяется при производстве осветленных  концентрированных яблочных соков. При этом ультрафильтрация заменяет не только сепаратор, кизельгуро- вый и пластинчатый фильтрпресс, но и обработку осветляющими веществами.

Низкая  граница пропускания ультрафильтрацион- ных мембран (например, молекулярная масса 18 000 для трубчатых мембран фирмы «Абкор») гарантирует полное отделение нативных белков, даже если они находятся в состоянии коллоидного раствора. Полисахариды, такие, как пектин, крахмал и некоторые тан- нины, также отделяются, если размеры их молекул больше значения границы пропускания мембраны. Ho некоторые олигосахариды, прошедшие через ультра- фильтрационную мембрану, могут полимеризоваться во время хр анения, вызывая образование вторичного помутнения, что можно предупредить путем предварительной обработки сока.

Полифенолы, неполимеризованные или не соединенные в макромолекулы, проходят через мембрану. В соке неустойчивые фенольные соединения могут полимеризоваться, образуя таннины, которые, взаимодействуя с белками, способствуют появлению вторичного помутнения. При традиционных способах фильтрования эти соединения обычно удаляют путем обработки бентонитом. При ультрафильтрации эту проблему решают удалением одного из компонентов реакции — белка. Поэтому при выборе мембран для осветления соков необходимо обеспечить удаление белков.

Кроме растворенных и взвешенных в растворе макромолекул, при ультрафильтрации полностью удаляют бактерии, дрожжи, плесневые грибы и их споры. Поэтому фильтрат, полученный при ультрафильтрации, является стерильным. Однако при розливе такого сока возможно вторичное инфицирование сока при прохождении через разливочно-укупорочное оборудование, поэтому процесс пастеризации исключать нельзя, если не обеспечены асептические условия розлива.

Ультрафильтрационные  мембраны, задерживая коллоиды, пропускают все ценные компоненты соков — сахара, органические кислоты, минеральные вещества, растворимые витамины и аминокислоты, поэтому пищевая и биолотическая ценность сока не снижается (табл. 11).

Сухие растворимые вещества, г/дм³

Экстрактивные вещества без сахара, г/дм³

Общее содержание сахаров, г/дм³ В том числе: сахароза глюкоза фруктоза Кислоты (по яблочной кислоте), г/дм³

Аскорбиновая  кислота, мг/дм³ pH

Общие полифенолы, мг/дм³

Фосфор, мг/дм³

Калий, г/дм³

Кальций, мг/дм³

Магний, мг/дм³

Натрий, мг/дм³

Зола, г/дм³

Пролин, мг/дм³

Цвет (420 нм)

ноосмотичецкие (гиперфильт.рационные) ацетатцеллю- лозные мембраны марки МГА используются во многих отраслях народного хозяйства. Наиболее распростра- ненная мембрана марки МГА-95 работает при pH 5—8 и температуре 10—50 °С.

Ультрафильтрационные мембраны марки  УАМ изготовлены на основе ацетатов целлюлозы.

В последние  годы созданы обратноосмотические  мембраны марки МГП и ультрафильтрационные марки УПМ на основе ароматического полиамида, характеризующегося высокой термической и химической стойкостью. Эти мембраны пригодны для работы в средах с широким диапазоном pH и при высоких температурах. В пищевой промышленности применяются мембраны из ароматических полиамидов марки УПМ-П на подложке из нетканого лавсанового полотна.

Основными изготовителями мембран в СССР являются НПО «Полимерсинтез» и ПО «Тасма». На основе выпускаемых мембран созданы установки мембранного разделения. Хорошо зарекомендовала себя отечественная установка «Родник-3» производительностью около 25 м³ в сутки и установки ЭДУ-50 и ЭДУ-100 производительностью соответственно 50 и 100 м³ в сутки.

В настоящее  время на пищевых предприятиях СССР эксплуатируется 17 промышленных и опытно-промыш- ленных установок для водоподготовки, осветления и стабилизации соков и напитков и концентрирования молочной сыворотки. На консервном заводе в г. Абин- ске Краснодарского края эксплуатируется мембранная ультрафильтрационная установка производительностью 1,5—2 т/ч для осветления и стабилизации фруктовых соков.

В Московском технологическом институте пищевой промышленности исследовалась зависимость степени осветления яблочного сока (после процеживания и сепарирования) на улУтрафильтрадионных мембранах «Владипор» от диаметра пор мембран. Полученные данные свидетельствуют о том, что мембраны с порами диаметром 0,025—0,045 мкм обеспечивают высокую степень удаления коллоидных веществ при сохранении в соке исходных количеств сахаров, витаминов и дрУ' гих ценных растворимых веществ. Мембраны с более крупными порами не обеспечивают необходимой степени осветления, с более мелкими — обладают низкой пропускной способностью.

В 1984 г. фирмой «Алби» (ФРГ) была смонтирована двухступенчатая установка для ультрафильтрации, в которой использованы трубчатые модули длиной 3 м, с внутренним диаметром 25 мм и площадью общей мембранной фильтрующей поверхности 0,2 м². В каждой ступени установлено 252 однотрубных модуля, расположенных в 12 вертикальных рядов по 21 трубе в каждом с площадью общей фильтрующей поверхности

8. м².

Процесс осуществляют по следующей технологической схеме. Свежеотжатый сок подвергают грубому фильтрованию на ситовом фильтре, затем отгоняют из него ароматические вещества, охлаждают до 55 °С и собирают в сборнике объемом 40 м³ с системой рециркуляции. Этот сборник одновременно служит для приемки сока после охладителя и питания ультрафильтра- ционной установки. Таких сборников установлено три, в них же производят обработку сока пектолитическими и амилолитическими (при необходимости) ферментами. Из последних двух сборников сок декантируют с осадка и подают в резервуар для рециркуляции, питающий ультрафильтрационную установку. В фильтрационной установке сок проходит последовательно первую и вторую ступени и собирается в сборном резервуаре, из которого подается в испарительную вакуум-установку,где концентрируется до содержания 70—72 % сухих веществ.

Ультрафильтрационная  установка работает непрерывно 10 ч со средней производительностью 14 м³/ч. Затем производят безразборную мойку установки водным раствором, содержащим 0,06—0,12 % едкого натра и 0,3 % гипохлорида натрия. Продолжительность мойки 1 ч, после чего установка вступает в новый цикл работы. Количество концентрированного осадка (ре- тенат) после каждого цикла составляет 2000 л, или 1.4 % от массы сока, и зависит от правильности подобранного диаметра трубчатых мембран и качества сока.

В процессе ультрафильтрации наблюдается изменение цвета яблочного сока от светло-желтого до золотисто-желтого; покоричневения сока вследствие окислительных процессов не обнаружено. Концентрат, полученный из сока, подвергавшегося ультрафильтрации, при хранении темнеет значительно меньше, чем сок осветленный традиционными способами.

Проведенные исследования и имеющийся опыт показывают, что ультрафильтрация является экономичным эффективным способом осветления, имеющим значительные преимущества перед традиционными способами. Однако соки должны быть хорошо подготовлены. Специальные исследования по определению влияния предварительной подготовки сока на скорость и фильтрующую способность мембранных ультрафильтрацион- ных установок при обработке яблочного сока показали, что наиболее эффективна обработка ферментами с последующей сепарацией. Дополнительное осветление яблочного сока желатином и кизельзолем перед ультрафильтрацией практически неэффективно.

На  практике яблочный сок чаще всего  перед ультрафильтрацией обрабатывают ферментами и сепарируют или фильтруют в зависимости от используемого типа ультрафильтрационной установки.

МИКРОФИЛЫРАЦИЯ

Этот  способ занимает среднее положение  между ультрафильтрацией и традиционным фильтрованием через асбестоцеллюлозные пластины. Мембраны для микрофильтрации  пропускают все растворенные вещества и растворитель, удерживая частицы размером 0,1—20 мкм. Процесс проходит без изменения состояния продукта, при низкой температуре и повышенной скорости движения потока.

В течение  последних 10—15 лет мембранные фильтры для микрофильтрации начали применять в разных отраслях пищевой промышленности.

При микрофильтрации  преобладает поверхностное (типа сита) разделение, т. е. все вещества, размер частиц которых больше пор мембраны, задерживаются на фильтрующей поверхности, как и при фильтровании на пластинчатом фильтре преобладают разделение и адсорбция в глубинных слоях. Микрофильтрация меньше зависит от влияния разных неполадок (неожиданное повышение давления, увеличение скорости движения потока, попадание воздуха и т. п.) и гарантирует высокую надежность процесса.

Мембранные фильтры  для микрофильтрации разли« чаются по конструкции и производительности. В пищевой промышленности преимущественно используют фильтры свечного типа с размером пор от 0,02 до8мкм. Свечные фильтры просты по устройству и состоят из следующих фильтрующих и опорных пластин (снару- _жИ — внутрь свечи): предохранительная и опорная пластмассовая сетка; слой пористого материала (бумага и др.) для опоры и грубого фильтрования; мембрана (гетерогенная, двойная); опорный слой. Для увеличения фильтрующей поверхности последовательно установленные слои сильно плиссированы. Полученный слоистый материал сворачивают в цилиндр, в верхней части которого устанавливают внутреннее отводное сетчатое ядро свечи. Длина таких свечей равна 250 мм, но могут быть свечи длиной 500 и 750 мм, 1 м с площадью фильтрующей поверхности 0,2; 0,4; 0,6 и 0,8 M² соответственно. Из свечей готовят модули. Одну или более фильтрующих свечей ставят в цилиндр из нержавеющей стали, который герметично закрывают.

В последние  годы предложено заменить фильтрование через фильтркартон микрофильтрацией, для чего применяют мембраны с более крупными порами. Микрофильтрацию применяют и для стерилизации воздуха при асептическом консервировании. Размер пор в таких фильтрах не превышает 0,5 мкм. Для резервуаров объемом 25 м³ применяют свечной фильтр «Милли- пор», установленный в тубус из нержавеющей стали длиной 80 см. Производительность фильтра 1,5 м³/мин воздуха при разнице в давлении 0,01 МПа.

УЛЬТРАФІЛЬТРАЦІЇ

Ультрафільтрація є одним з  видів мем-лайливої технології, що застосовується в харчовій промисловості. Різні  види 'мембранної технології різняться  між собою в залежності від  величини пір застосовуваних мембран (табл. 10).

M і до р про ф і ль  ТІР а ц і я - процес відділення  зва-шенних часток, частин клітин  та ін від рідкої або газо-подібної  середовища шляхом пропуску через  мембрани.

Ул'трафільтрація - • процес поділу рідкого середовища на високо-і низькомолекулярні  сполуки за допомогою мембран, які  пропускають низько-молекулярні  з'єднання і затримують високомоле-кулярние, в тому числі колоїдно-розчинні мікро-молекули, такі, як полісахариди і протеїни.

ХАРАКТЕРИСТИКА МЕМБРАН

Показники Мі кро-фільтра-ція (МФ) Ультра-фрльтра-цин (УФ) Зворотній

осмос

(OO) Електро-

діаліз

(ЕД)

розмір пор мемб ¬ ран, мкм 0.02-8,0 0; 002-0,2 -

Кордон поділу по молекулярній масі 500 150

робочий тиск, МПа 0,01-0,5 0,1-1,5 1-10

Механізм розділі ¬ ня Ефект  проссівапія Дифузія

(Молеку ¬

лярні

сито) Різні

електричні

елементи

Структура сіммет ¬

ковий Асиметрична Іонообмін ¬

ная

Застосування Фильтро ¬

вання,

стерилізації ¬

зація

(Повітря,

води) Концент-рірова ¬ ня, освітл * ня, стер ¬ зація, фракція-вання Концент  ¬

рірова ¬

ня Демінералі-зація, вос-становлення

Зворотний осмос - процес відділення розчини ¬ теля від розчиненого  в ньому речовини за допомогою  мем ¬ бран, які пропускають  молекули розчинника, а частинки, молекули і іони розчинених речовин за ¬  витримують. Близько 99,5% солей і низькомолекулярних речовин (молекулярна маса 100) залишається  в кон ¬ рате.

Е л е кт р о д і а л  і з - процес, при якому іоно-генні  речовини розділяються при проходженні  через іонообмінні мембрани під  дією різниці в електричних потенціалах.

На рис. 26 схематично показано дію  мембран при зворотному осмосу, ультрафільтрації та мікро-фільтрації.

Мембрани. За формою мембрани можуть бути пло ¬ кі, трубчасті і з  порожнистих волокон. Мембрани виготов  ¬ ляють з ацетату целюлози, синтетичних полімерів (полісульфід, полікарбонати, поліакрилату | идр,),, кераміки і металу.Ацетатцелюлозних мембрани мають меншу довговічність і  хімічну устой-чивость порівняно  з мембранами із синтетичних полімерів, менш стійкі до підвищених темпера-турах.

В останні роки стали виготовляти  та використовувати інтерполімерних, мінеральні (керамічні) та металевих  мембрани. Керамічні мембрани име  ¬ ють хорошу хімічну, термічну і  механічну стійкість (20 МПа) і тривалий термін експлуатації.Найбільш перспективними є металеві-кі мембрани. Їх виготовляють з металевого по-рошка або тонкого  металевого (а-алюміній) лис ¬ та, перфорованого лазером.

Мембрани характеризують за двома  основними поки-показника: продуктивності (пропускної способнос ¬ ти) і  селективності (вибірковості). Продуктивність мембрани Q дорівнює кількості фільтрату  У, що пройшов за одиницю часу t через  одиницю робо-чий поверхні F мембрани:

Q = V I {Ft).

Селективність характеризує розділяє спосіб-ність мембрани і виражається  в процентному співвідношенні-ванні  концентрації речовини в розчині  з обох сторін мембрани. Селективність  мембран визначають найчастіше по розчинів хлориду натрію та цукру.

При традиційному способі потік  рідини, біля-жащей фільтруванню, подають  вертикально у верхню частину  фільтру. Фільтрування відбувається в  глибині шару, а зверху на фільтруючу поверхню нашаровуючись-ється товстий  шар осаду, що утруднює фільтрува-ня. При мембранному фільтруванні потік  фільтру ¬ емой рідини подають  горизонтально і вздовж мембра ¬  ни, і внаслідок турбулентного  руху рідини на ефективний фільтраційний  шар мембрани майже не осідає осад, який міг би засмічувати пори. Цей  спосіб фільтрування відомий під  назвою тангенціальне фільтрування (рис. 27).

При тангенціальному фільтруванні речовини, які не пройшли через  мембрану, захоплюються тангенці-альних рухом потоку рідини і в круговороті  фільтрованої середовища безперервно  концентруються.

Мембрани виготовляють з певними, одно-рідними за величиною порами, від чого залежить їх раз-виділяється  здатність. Розділяє здатність мем-бран для ультрафільтрації характеризують молекуляр-ної масою (ММ) речовин, які  проходять через їх

V00OO00 o ^ O00oO0O ° о0о0ов ° о «о SO QOO OQOO OQQOO О О О О О Q О О

ішм

Рис. '2 (7. Схема потоку фільтрованої рідини при фільтруванні:

а - традиційним способом; б - тангенціальному

пори. В даний час виготовляють мембрани для ультрафільтрації, що розділяє спроможність яких знаходиться  в межах між 500 і 1 ТОВ ТОВ ММ.

Модулі. Мембрани монтують в різні  за конст-рукції фільтрувальні пристрої «модулі». В на-варте час створено чотири типи модулів: пластин-чатие, трубчасті, рулонні і з порожнистих волокон.

Пластинчасті рамні модулі побудовані за принципом пластинчастих апаратів; виготовляються прямокутної, круглої  або елліпсовіднимі форми з горизонтально  або вертикально поставленими плас-тинами. Основний їх недолік - тривалий час  для заміни пошкоджених мембран  і високі втрати тиску; рух рідини переважно лами-Нарнії.

Трубчасті модулі побудовані за принципом  трубчастих апаратів; мають труби  з внутрішнім діа-метром 12,5-25,4 мм, довжиною 5 м. Мембрана знаходиться з внутрішньої  сторони труби, через яку тече фильтруемая рідина. Модуль може складатися з од-ної або декількох (2-18) труб. Переваги трубчастого модуля - зручна та проста форма, інтенсивність-пасивного  турбулентний рух рідини, невисока ступінь забивання пор мембрани, легкі контроль процесу і очищення; недоліки - велика витрата електроенергії і низька компактність.

Рулонні модулі складаються з так  званих мембранних кишень, в яких знаходяться  шари по-Рісто матеріалу для підведення фільтрату до відвідної