Цель: изучить влияние различных факторов на эффективность проведения мембранной фильтрации; ознакомиться с другими методами мембранной обработки сырья

Урок 30. Влияние различных факторов на эффективность мембранной фильтрации. Другие методы мембранной обработки молочного сырья

Цель: изучить влияние различных факторов на эффективность проведения мембранной фильтрации; ознакомиться с другими методами мембранной обработки сырья.

Движущей силой баромембранной фильтрации является давление, которое оказывает значительное влияние на скорость фильтрации. Различают два вида давления, воздействующие на обрабатываемую жидкость: гидравлическое и трансмембранное.

Гидравлическое давление действует вдоль фильтрационного модуля, и скорость фильтрации зависит от падения гидравлического давления р = р₁-р₂ где р₁ - давление на входе исходного продукта; р₂- давление на выходе концентрата. Чем выше р₁, тем выше скорость прохождения через модуль, тем больше воздействие, направленное перпендикулярно мембранам, и тем меньше 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. Максимальных значений трансмембранное давление достигает на входе в фильтрационный модуль, минимальных - на выходе из него. Среднее трансмембранное давление ТМД= (р₁ + р₂)/2 –р₃, где р₃- давление на выходе фильтрата.

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

Поляризационными называются явления, происходящие в тонком слое разделяемой смеси вблизи поверхности мембраны по причине ее полупроницаемости. Если через мембрану проходят одни компоненты, а другие ею задерживаются, то обязательно происходит изменение соотношений концентраций в исходном растворе, которые неравномерно распределены в его объеме.

Все баромембранные процессы сопровождаются поляризационными явлениями. Отличия в том, что разные вещества различно ведут себя при концентрировании: у некоторых может быть превышен предел растворимости, и они будут выпадать в осадок; другие образуют пространственные сетки и превращаются в гель, третьи начинают накапливаться на мембране за счет адсорбции и поверхностных сил.

Концентрационная поляризация представляет собой формирование у поверхности мембраны пограничного слоя, в котором концентрация растворенного вещества больше, чем в исходном растворе.

В обратном осмосе относительная величина КП больше, чем при ультрафильтрации.

Гелевая поляризация. В растворах высокомолекулярных соединений (ВМС) при ультрафильтрации при определенной концентрации начинается межмолекулярное ассоциирование ВМС с образованием пространственной сетки (геля).

Образование геля на поверхности мембраны резко меняет условия протекания процесса ультрафильтрации. Растворенное вещество в слое геля теряет подвижность, появляется еще одно сопротивление переносу вещества через мембрану, что снижает производительность мембраны. Это явление было названо «гелевой поляризацией». Если в условиях гелевой поляризации повысить рабочее давление, то концентрация гелеобразования не изменится, толщина же гелевого слоя увеличится, а сам гелевый слой уплотнится.

Способы снижения явления поляризации. Поляризационные явления снижают удельную производительность мембраны и, соответственно, эффективность разделения. Способы уменьшения этих влияний можно разделить на три группы:

• предварительная обработка разделяемых растворов;

• изменение параметров проведения процесса;

• регенерация мембран.

Способы первой группы основаны на том, что изменяется состав исходного раствора либо путем предварительного вывода определенных компонентов, либо путем добавления веществ, изменяющих поведение компонентов при концентрировании (электродиализ, ионный обмен, микрофильтрация и т. п.).

На эффективность и скорость мембранной фильтрации влияет температура молочного сырья. Повышение температуры до 60 °С интенсифицирует процесс ультрафильтрации. Это связано с тем, что при повышении температуры усиливается броуновское движение, а, следовательно, возрастает диффузия растворов через полупроницаемую мембрану. Повышение температуры также приводит к снижению вязкости обрабатываемой жидкости, что способствует повышению скорости фильтрации. Например, при повышении температуры ультрафильтрации с 20 до 50 °С скорость ультрафильтрации возрастает в 2,5-3,0 раза. Однако подъем температуры выше 60 °С приводит к денатурации белковых веществ молочного сырья и увеличению белкового поляризационного слоя и, соответственно, к снижению скорости фильтрации. Кроме того, использование температуры выше 60°С обусловливает изменение полимерной структуры мембран, что также ухудшает проницаемость мембран и снижает эффективность мембранной фильтрации.

На эффективность мембранной фильтрации влияет также активная кислотность молочного сырья.

При понижении рН обезжиренного молока скорость ультрафильтрации уменьшается, так как происходит коагуляция казеина и увеличение вязкости. Поэтому необходимо выбирать температуру в зависимости от pH молочного сырья.

В молочной промышленности при выработке молочных продуктов мембранные методы обработки молочного сырья можно применять как самостоятельно, так и в сочетании друг с другом.

Поэтому еще до ультрафильтрации молочной сыворотки при производстве сывороточных белковых концентратов, молочного сахара и т. д. желательно проводить микрофильтрацию для холодной стерилизации и обезжиривания молочной сыворотки.

Эффективным методом улучшения качественных показателей молочной сыворотки перед ультрафильтрацией, а именно – уменьшения в ней содержания минеральных компонентов (деминерализация), является электродиализ.

Электродиализ - это направленный перенос ионов через размещенную в растворе электролита мембрану под действием постоянного электрического поля. Сущность электродиализа заключается в том, что мембрана (перегородка), находясь в контакте с раствором электролита, под влиянием электрического поля пропускает ионы одного заряда и служит барьером для ионов противоположного заряда.

При достаточно высоком внешнем электрическом потенциале электрический ток переносит катионы из раствора (например, из молочной сыворотки) в поток работающего раствора через катионообменную мембрану. Анионы движутся в противоположном направлении и переносятся в поток рабочего раствора через анионообменную мембрану. Таким образом, молочная сыворотка обессоливается (деминерализуется), а соли концентрируются в рабочем растворе.

Электродиализ молочной сыворотки не влияет существенно на ее качество и содержание сывороточных белков, лактозы, витаминов. Потери белков составляют 2-3%, лактозы - 6%.

Деминерализованная молочная сыворотка имеет ряд преимуществ перед недеминерализованной - менее выражена горечь за счет удаления минеральных веществ, понижена кислотность (особенно это важно для кислой творожной сыворотки при ее дальнейшем использовании) и т. д. Это дает возможность применять сыворотку в производстве продуктов для детского питания и различных других пищевых продуктов. Кроме того, применение электродиализа предотвращает загрязнение окружающей среды, которое происходит при сбросе в канализацию недеминерализованной сыворотки.

Метод ионного обмена используют для деминерализации молочной сыворотки наряду с электродиализом. Ионный обмен осуществляется в колонках с ионообменными смолами.

Принцип этого метода основан на обмене подвижных ионов стационарной фазы и одноименно заряженных ионов из протекающего раствора. Молочную сыворотку пропускают вначале через катионит, затем через анионит. Катионит связывает катионы присутствующих в молочной сыворотке минеральных солей, при этом выделяются соответствующие кислоты, анионы которых связываются анионитом.

Ионный обмен используется в молочной промышленности при получении молочной кислоты; для деминерализации молочной сыворотки; извлечения радиоактивных элементов из молочного сырья; повышения термостойкости молока, предназначенного для стерилизации; снижения его кислотности.