Ультрафильтрация
Ультрафильтрация является одним из видов мембранной технологии, применяемой в пищевой промышленности. Различные виды мембранной технологии различаются между собой в зависимости от величины пop применяемых мембран.
Микрофильтрация - процесс отделения взвешенных частиц, частей клеток и др. от жидкой или газообразной среды путем пропуска через мембраны.
Ультрафильтрация - 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.
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.
Электродиализ - процесс, при котором ионогенные вещества разделяются при прохождении через ионообменные мембраны под действием разницы в электрических потенциалах.
Мембраны. По форме мембраны могут быть плоские, трубчатые и из полых волокон. Мембраны изготовляют из ацетата целлюлозы, синтетических полимеров (полисульфиды, поликарбонаты, полиакрилаты и др.), 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 листа, перфорированного лазером.
Мембраны характеризуют по двум основным показателям: производительности (пропускной способности) и селективности (избирательности). Производительность мембраны Q равна количеству фильтрата V, прошедшего за единицу времени t через единицу рабочей поверхности F мембраны:
Q = V/(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.
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 поры.
В настоящее время изготовляют мембраны для ультрафильтрации, разделяющая способность которых находится в границах между 500 и 1000000 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, ОО) может осуществляться тремя способами: периодическим, полунепрерывным и непрерывным.
Периодический способ, 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: ультрафильтрация - 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 ультрафильтрация применяется при производстве осветленных концентрированных яблочных соков. При этом ультрафильтрация заменяет не только сепаратор, кизельгуровый и пластинчатый фильтрпресс, но и обработку осветляющими веществами.
Низкая граница пропускания ультрафильтрационных мембран (например, молекулярная масса 18000 для трубчатых мембран гарантирует полное отделение нативных белков, даже если они находятся в состоянии коллоидного раствора. Полисахариды, такие, как пектин, крахмал и некоторые таннины, также отделяются, если размеры их молекул больше значения границы пропускания мембраны. Но некоторые олигосахариды, прошедшие через ультрафильтрационную мембрану, могут полимеризоваться во время хранения, 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 биологическая ценность сока не снижается.
Была исследована возможность производства полимерных мембран для ультрафильтрации и диализа. Разработаны мембраны типов ПАН-А и ПАН-Б с диадиетром пор соответственно 0,0144 и 0,0130 мкм, производительностью по воде 109 и 65 л/м2/ч при давлении 0,3 МПа.
Изготовляют более 20 типов и марок полимерных мембран. Наиболее широко используются мембраны, которые представляют собой пористый (65-85 %) полимерный материал толщиной 200-50 мкм с размером пор 10-6-10-10 м; масса 1 м2 составляет 40-80 г. Выпускается три марки мембран: МГА - обратноосмотические, УАМ - ультрафильтрационные и МФН-МА - микрофильтрационные.
Обратноосмотические (гиперфильтрационные) ацетатцеллюлозные мембраны марки МГА используются во многих отраслях народного хозяйства. Наиболее распространенная мембрана марки МГА-95 работает при рН 5-8 и температуре 10-50 °С.
Ультрафильтрационные мембраны марки УАМ изготовлены на основе ацетатов целлюлозы.
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 рН и при высоких температурах. В пищевой промышленности применяются мембраны из ароматических полиамидов марки УПМ-П на подложке из нетканого лавсанового полотна.
На основе выпускаемых мембран созданы установки мембранного разделения.
Учеными исследовалась зависимость степени осветления яблочного сока (после процеживания и сепарирования) на ультрафильтрационных мембранах 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 других ценных растворимых веществ. Мембраны с более крупными порами не обеспечивают необходимой степени осветления, с более мелкими - обладают низкой пропускной способностью.
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 ультрафильтрационных 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.