Гиперфильтрация является физическим способом разделения растворов (без превращения фаз) через полупроницаемую перегородку (мембрану) с определенным размером пор от I до 1000 нм (0,001 - I мкм).

Процесс гиперфильтрации основан на принципе обратного осмоса. Часть компонентов раствора, и прежде всего растворитель, за счет давления, создаваемого на раствор, переходит через мембрану, а другая, например, белки, задерживается. Происходит концентрация раствора. Гиперфильтрацию в зависимости от пористости (проницаемости) применяемой мембраны и эффективности процесса разделения гетерогенных растворов условно делят на микрофильтрацию, ультрафильтрацию  нанофильтрацию и обратный осмос.

Рисунок 21 – Виды гиперфильтрации.

 

При микрофильтрации происходит разделение суспензий и коллоидных растворов; при ультрафильтрации мембрана задерживает только высокомолекулярные соединения и пропускает с фильтратом вещества, образующие "истинный раствор". Так, при ультрафильтрации молочной сыворотки задерживается (концентрируется) белок, а в фильтрат уходят соли и лактоза. При обратном осмосе задерживаются (концентрируются) практически все компоненты раствора. В этом случае приходится преодолевать осмотическое давление раствора, которое резко возрастает для низкомолекулярных соединений. Например, 3 % -й раствор казеина (молекулярная масса 30000) по сравнению с 3 % - м раствором NaС1 (молекулярная масса 58) имеет осмотическое давление примерно в 500 раз меньше (Dm белка/Dm NаСl = 30000 / 58 = 500). Практически обратный осмос сводится к сгущению раствора.

Основные критерии процесса гиперфильтрации определяются избирательностью, проницаемостью, устойчивостью к механическому, химическому и микробиологическому загрязнению мембран, которые различаются по поколениям.

Таблица 8 - Характеристика баромембранных процессов разделения молока

Показатель	Микрофильтрация	Ультрафильрация	Обратный осмос
Средний диаметр частиц, мкм	10 – 0,1	0,1 – 0,003	0,003 – 0,0001
Рабочее давление, МПа	0,02 – 0,2	0,2 – 1,0	3,5 – 8,0
Скорость потока, м/с	0,1 – 0,2	2 - 5	1 - 2
Частицы концентрата	Микрочастицы	Макромолекулы, коллоидные частицы	Гидратированные ионы
Задерживаемые частицы	Кишечная палочка, стафилококки, молочнокислые бактерии	Сывороточные белки, мицеллы казеина, бактериофаги	Ионы Na, К, Са
Загрязнения мембран	Осадок микрочастиц	Гель	Слой слабо-растворимых солей
Скорость после фильтра, м/с	0,1 – 0,2	0,1 – 0,2	0,1 – 0,2

 

При микрофильрации концентрируются микрочастицы, задерживаются кишечная палочка, стафилоккоки, молочнокислые бактерии, при ультрафильтрации в концентрате – макромолекулы, коллоидные частицы, сывороточные белки, мицеллы казеина, бактериофаги; при обратном осмосе – в концентрате гидратированные ионы, а также ионы натрия, кальция, калия.

Потенциально баромембранная обработка молока и молочные продуктов позволяет создавать широкую гамму специальных технологических процессов.:

-Деминирализацию соленой сыворотки методом нанофильтрации (свободного обратного осмоса), при котором удаляется 98% ионов натрия и калия, 20% ионов кальция, а удерживаются все 98% лактозы.

- очистку рассола в сыроделии от нежелательной микрофлоры и других загрязнений.

- концентрирование биомассы молочнокислых микроорганизмов при производстве заквасок и бактериальных препаратов.

Ацетатцеллюлозные мембраны (первое поколение) были созданы в начале 70-х годов и совершенствовались в ячейке 10 лет. Выполняя функцию разделения, они отличались низкой механической и химической стойкостью, трудно поддавались санитарной обработке.

Второе поколение мембран основано на синтетических полимерах, что выгодно отличает его от первого поколения. Эти мембраны имеют более высокую химическую стойкость, легче поддаются мойке. Недостатком мембран второго поколения является наличие тонкого (0,1-0,2 мкм) фильтрующего слоя, что легко приводит к механическому разрушению их.

Рисунок 22 – Пластинчато-рамный мембранный модуль (синтетический полимер).

 

 

Мембраны третьего поколения, на основе металлокерамики, а также ядерные фильтры практически не будут иметь указанных выше недостатков. Однако их освоение и внедрение потребует времени.

Рисунок 23 – Трубчатая мембрана (фильтрующий элемент изготовлен из керамики)

Проницаемость всех видов мембран во время работы снижается, что обусловлено концентрационной поляризацией (образованием, на поверхности фильтрата слоя раствора с повышенной концентрацией), вследствие чего осмотическое давление и гидродинамическое сопротивление увеличиваются. Для уменьшения этого явления раствор энергично перемешивают или резко увеличивают его скорость.

Мембраны 1 и 2-го поколения требуют наличия специальных ионообменников для снижения коцентрации ионов железа, марганца, а также для уменьшения общей жесткости промывной воды. Кроме того, для очистки ацетатцеллюлозных мембран от остатков белка в состав моющих средств необходимо включать протеолитические ферменты.

Показатель	Поколение фильтрационных мембран
	Первое	Второе	Третье
Основной материал мембран	Ацетатцеллюлоза	Полисульфон	Металлокерамика
Верхний предел рабочей температуры, ^0С	50	95	140
Допустимый интервал рН	3-6	2-12	1-14
Ограничение по концентрации ионов металлов (железа, марганца и др.) в промывочной воде	есть	есть	отсутствует
Прочность	слабая	Удовлетворительная	Высокая

 

Баромембранные процессы осуществляются на специальных установках. Наибольшее распространение получили пластинчато-рамные, трубчатые, капиллярные и спиральные конструкции фильтрационных модулей, которые представляют собой главный элемент этих установок.

Преимуществом гиперфильтрации перед существующими способами концентрации растворов (например, выпариванием) является возможность проведения процесса при любых температурах. Кроме того, затраты энергии при гиперфильтрации значительно меньше, чем при использовании других способов концентрации, а тепловая энергия не затрачивается совсем. В связи с этим, проведение гиперфильтрации особенно целесообразно при выработке пищевых продуктов, где выпаривание при повышенных температурах приводит, как правило, к нежелательным последствиям, а расходы энергии на эти процессы весьма значительны.

Отличительной особенностью микрофильтрации является использование мембран с диаметром пор от 0,1 до 1,0 мкм (100-1000 им). Она может быть использована для холодной стерилизации молочного сырья, например, молочной сыворотки. При этом считается, что отсутствие мицелл казеина обеспечивает относительно легкое проведение процесса удаления бактерий, которые остаются на мембране. Одновременно из сыворотки извлекается остаточный молочный жир в количестве 0,5-1,18 г/л.

Для микрофильтраии используют нуклеопористые мембраны из поликарбонатов или полиэфирного волокна, пористость которых создается путем облучения. Например, французская фирма Phone-Poulenc предлагает два типа мембран для микрофильтрации на основе полимеров, а фирма Sfec u Ceraver поставляет минеральные мембраны.

В целом процесс микрофильтрации молочной сыворотки по разным, в основном, техническим причинам, пока распространения не получил.

Процесс молекулярно-ситового разделения гетерогенных растворов с использованием мембран диаметром пор от 10 до 100 нм получил название ультрафильтрации.

Рисунок 24 – Принципиальная схема ультрафильтрации.

1 – мембрана;

2 – охладитель;

3 – фильтр.

При этом на мембране задерживаются компоненты молочной сыворотки с молекулярной массой от 10⁴ ед и выше, т.е. в основном сывороточные белки и остаточный молочный жир, а также некоторые соединения коллоидной степени дисперсности, в основном соли кальция. Необходимое давление для осуществления процесса ультрафильтрации, исходя из принципа обратного осмоса, находится на уровне 0,1-1,0 МПа (1-10 атм).

В результате ультрафильтрации получается белковый концентрат (ретентант), содержащий высокомолекулярные соединения молочной сыворотки и фильтрат (пермеат) - раствор лактозы, минеральных солей и других низкомолекулярных соединений. Частным случаем ультрафильтрации является процесс диафильтрации, который включает разбавление концентрата водой и повторной ультрафильтрации. Имеются достаточно полные разработки процесса, аппаратурного оформления и мембран.

Для ультрафильтрации молочной сыворотки используется ацетат - целлюлозные мембраны типа УАМ с селективностью по белку 91-97% и лактозе 8-20%; полисульфонамидныа мембраны типа УПМ с селективностью по белку 92,5 и лактозе 8,5 % и ядерные фильтры.

Проницаемость мембран Q рассчитывают по формуле (8):

Q = V / St                                                            (8)

где: V - количество фильтрата, л;

S - рабочая поверхность, м²;

t – продолжительность фильтрации, ч.

Проницаемость мембран всех типов в начале процесса независимо от давления возрастает, а затем стабилизируется и остается практически неизменной. Это явление объяснимо в соответствии с сущностью процесса за счет разницы давлений D Р и концентрационной поляризацией, связанной с усадкой мембраны. Лучшей проницаемостью обладают мембраны УАМ-500, УПМ-500 и Альпобор-160.

Селективность В (%) характеризует избирательную способность мембран пропускать частицы определенного компонента:

    100·(С₁ – С₂)        

  В =

                    С₁                                                     (9)

где С₁ и С₂ – концентрация разделяемого компонента в исходной жидкости и ультрафильтрате, г/л.

С ростом давления селективность по белку всех мембран возрастает на 11-13 %, что обусловлено уменьшением их пор. Максимальное значение селективности по белку у мембран типа УПМ-500 и УАМ-500 достигает при давлении 0,4-0,5 МПа, у мембран типа Альпобор при давлении 0,4-0,5 МПа. Более высокая селективность полиамидной мембраны УПМ-500 (86-95 %) обусловлена ее строением - наличием пептидных группировок. Высокая селективность мембран обеспечивает хорошее извлечение белка из творожной сыворотки и его концентрирование. Селективность мембран по лактозе незначительная, но заметно возрастает, особенно у мембран УАМ-500 и Альпобор, по мере роста давления. Минимальная селективность (7%) по лактозе отмечена мембраны УПМ - 500. С повышением температуры проницаемость всех мембран возрастает на 43-80 %, что связано с уменьшением вязкости сыворотки.

Для ультрафильтрации молочной сыворотки в нашей стране создана установка А1-ОУС, техническая характеристика которой приведена ниже.

Производительность, т/ч, не менее	5
Установленная мощность электродвигателей, кВт	77,8
Расход умягченной воды на цикл мойки, л, не более	-
горячей 40-45 °С	6000
холодной 18-20 °С	12000
Расход холода, Вт, не более	45500
Общая рабочая поверхность мембран, м^2	152
Площадь установки, м^2, не более	90
Масса установки, кг	16000

Следует отметить, что для нормальной эксплуатация установки должен функционировать участок предварительной обработки молочной сыворотки (сбор, сепарирование, пастеризация, охлаждение, хранение), участок тепловой обработки белкового концентрата (охлаждение, резервирование, пастеризация и охлаждение), а так же участок (установка) по сушке белкового концентрата, промышленной переработке фильтрата; например, в молочный сахар, специальная установка для умягчения воды и моющая станция.

За рубежом выпускаются комплектные высокопроизводительные ультрафильтрационные установки для обработки молочной сыворотки. Обращает на себя внимание высокая производительность (до 200 т/сутки), применение АСУ ТП на базе микропроцессорной техники с использованием ЭВМ, например, управляющего вычислительного комплекса "Алерт-100" и локальных моющих станций "Сипал" с программируемыми контролерами "Алстеп".

Опыт эксплуатации ультрафильтрационных установок показал, что важным вопросом стабилизации процесса является подготовка воды для санитарной обработки оборудования.

Обратный осмос - это процесс молекулярно-ситовой фильтрации с использованием полупроницаемых мембран диаметром пор от 1,0 до 10 нм, способных задерживать компоненты растворов молекулярной массой от 50 ед и выше.

Рисунок 25 – Принципиальная схема обратного осмоса.

1 –мембрана;

2 – охладитель;

3 – фильтр.

 

 В отличие от ультрафильтрации при обратном осмосе происходит концентрирование всех компонентов молочной сыворотки за исключением воды и отдельных одновалентных ионов - натрий, калий, хлор. Этот процесс по существу идентичен процессу удаления воды выпариванием. Давление, необходимое для осуществления процесса обратного осмоса, превышает, как правило, 5,0 МПа (50 атм). Для осуществления процесса обратного осмоса используют инертные полупроницаемые мембраны на основе ацетат - целлюлозы, синтетических полимерных пленок, полиамида, полибензимида (ПБИ), металлокерамику, ядерные фильтры. Процесс обратного осмоса, так же, как и ультрафильтрация, характеризуется проницаемостью и селективностью мембран.

Осуществление процесса обратноосмотического концентрирования молочной сыворотки происходит в аппаратах типа фильтр-пресс (плоскорамные) и трубчатой конструкции. Особый интерес представляет изучение данного процесса на аппаратах интенсивного типа - со спиральной (рулонной) навивкой мембранных пакетов.

Рисунок 26 - Спиральная конструкция мембраны.

За рубежом для обработки молочного сырья рядом фирм выпускаются специализированные обратноосмотические установки, характеристика некоторых из них применительно к молочной сыворотке приведена в табл.9.

Обращает на себя внимание высокая производительность при относительно невысокой степени концентрирования, что не исключает использование вакуум-выпарных аппаратов.

Таблица 9

Фирма – изготовитель	Тип установки	Производительность, т в сутки	Степень концентрирования	Средняя скорость фильтрации, л/м^2 ч
ДДS (Дания)	Фильтр – пресс	2000	2	20
ДДS (Дания)	Фильтр – пресс	100	3	13,5
Galdin-Havens (США)	Трубчатый	200	3	30
Abcor Znt (США)	Трубчатый	86	3	14

 

Вопросы для контроля изучения материала лекции

1. Классификация мембранных методов?

2. Сущность гелевой фильтрации?

3. Гиперфильтрация и ее виды. Аппаратурное оформление процесса. Преимущества гиперфильтрации?

4. Характеристика процессов микро- и ультрафильтрации?

5. Обратный осмос?