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

Показатели	Ми  кро- фильтра- ция (МФ)	Ультра- фрльтра- цин (УФ)	Обратный осмос (OO)	Электро- диализ (ЭД)
размер  пор мембран, мкм	0.02—8,0	0;002—0,2	-	-
Граница разделения по молекулярной массе		500	150
рабочее давление, МПа	0,01—0,5	0,1—1,5	1—10
Механизм  разделения	Эффект  проссивапия		Диффузия (молеку лярное сито)	Различные электрические элементы
Структура	Симмет ричная	Асимметричная		Ионообмен ная
Применение	Фильтро вание, стерили зация (воздуха, воды)	Концентрирование, освет* ление, стерилизация, фракционирование	Концент рирова ние	Деминерализация, восстановление

 

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).

 

		Осветленный сок
Показатели	И:ходный сок	ультр а- фильтрация	традици онный способ*

 

 

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)

152,3	15(H) і	147,42
29,01	30,99	33,38
123,29	119,62	114,04
35,62	31,35	30,36
20,90	22,02	19,69
66,77	66,25	63,99
7,7	7,6	7,0
39	33	23
3,25	3,26	3,39
—	583,5	554,0
68	66	65
1,29	1,26	1,26
67,5	67,5	117,5
53,6	54,0	118,4
5,3	22,8	22,3
2,66	2,65	2,99
46	45	42
	0,244	0,287