Получение питьевой воды с помощью мембранной технологии

Мембранные системы низкого давления можно использовать для производства питьевой воды высокого качества из воды поверхностных источников. Для этого необходимо удалить вещества, окрашивающие воду, мутность и крупные частицы, удалить или уничтожить патогенные бактерии и вирусы, исключить неприятный вкус или запах.

Большинство примесей, содержащихся в воде поверхностных источников ее окрашивающих, являются отрицательно заряженными коллоидами, которые можно удалить с помощью пористых мембран. Мутность воды также обусловлена коллоидными частицами, которые можно легко удалить, применяя ультрафильтрационные мембраны.

Для задерживания небольших молекул, придающих воде вкус и запах, в систему очистки можно ввести активированный уголь, однако в этом случае для удаления отработанного активированного угля необходима специальная схема потоков. Однако поддерживать потоки через мембраны на достаточном уровне оказалось трудным. Несмотря на засорение мембран, преимущество подобной обработки состоит в том, что при этом не образуется шлама, требующего специальных методов выведения и уничтожения. На специальным образом изготовленной установке можно будет вырабатывать воду, практически не содержащую бактерий и вирусов.

Ныне один из самых тонких методов получения высококачественной воды, свободной от ионов, состоит в комбинировании микрофильтрации с обратным осмосом; в последнем случае применяют более тонкопористые мембраны.

Существуют по крайней мере два вида обработки сточных вод, в которых важно удалить неорганические примеси и для которых мембранные системы обеспечивают существенное преимущество по сравнению с другими процессами обработки в отношении эффективности и фактических затрат на обработку. Этими двумя видами являются удаление специфических неорганических веществ из сточных вод и умягчение воды.

С помощью мембранных систем можно выделять фосфор – вещество, необходимое для развития водорослей. Умягчение воды достигается прямым удалением кальция и магния. Эта задача сходна с задачей удаления тяжелых металлов.

В обработке сточных вод имеется ряд процессов, которые в настоящее время либо почти осуществимы, либо требуют мер для значительного снижения засорения мембран, что обуславливает повышение капитальных вложений и эксплуатационных расходов. К ним относятся следующие процессы:

1) Сбор водорослей из систем для их выращивания или из лагун для доочистки сточных вод.

2) Удаление из сточных вод или жидких отходов коллоидных и взвешенных частиц.

Одна из наиболее сложных задач стадии обработки сточных вод путем выдерживания в лагунах – это задача выделения водорослевой клеточной ткани и большого количества внеклеточных органических веществ, вырабатываемых водорослями.

Большим преимуществом мембранных систем является их способность концентрировать вещества без использования химических коагулянтов. Поэтому в системе с мембранами для сгущения материалов и центрифугой для их обезвоживания можно получить высококачественный продукт без примесей. Сокращение размера обезвоживающего оборудования является существенным достижением независимо от того, предполагается ли повторное использование собранных водорослей.

В мембранных устройствах, действующих под давлением, вещества, содержащиеся в виде истинных растворов или коллоидных суспензий, выделяются либо методом ультрафильтрации, при которой вода проходит через поры (или дискретные отверстия в фильтрующей среде), а растворенные вещества задерживаются главным образом в соответствии с размером частиц, либо методом обратного осмоса – физико-химического процесса, в котором содержащиеся в растворе вещества задерживаются мембранами в соответствии с их химическими характеристиками (а не их размером, который может быть того же порядка величины, что и размер молекул воды)¹.

В последнем случае жидкая фаза, с одной стороны переносится через мембрану посредством образования и разрыва химических связей с определенными функциональными группами в мембране. Разность давления служит источником энергии для процесса переноса молекул воды.

С другой стороны, растворенное в воде вещество практически нерастворимо в набухшей в воде мембране или диффундирует через нее чрезвычайно медленно. Поэтому соотношение между свойствами мембраны и химическими характеристиками и размерами частиц вещества, содержащихся в промышленных стоках, имеет существенное значение.

Применение мембранных методов обработки молока позволяет резко повысить эффективность производства таких молочных продуктов, при выработке которых по традиционной технологии некоторые составные части молока подлежат отделению. К таким продуктам относятся сыр, творог, казеин, масло. Поэтому усилия специалистов и ученых многих стран направлены на применение мембранной техники в первую очередь в их производстве.

При изготовлении сыра, одного из основных производств молочной промышленности в США, в виде побочного продукта образуются большие объемы сыворотки.

Попытки использовать сывороточные белки в производстве сыра с целью увеличения его выхода были сделаны еще до появления мембранной техники, когда белки сыворотки можно было выделить только тепловым способом в денатурированном виде. Однако использование денатурированных сывороточных белков при выработке сыров (российского, костромского, пикантного) по существующей технологии приводило к получению нетипичного, горького, кисловатого и слабовыраженного вкуса, мажущейся консистенции, излишне развитого нехарактерного рисунка. Положительные результаты дало применение таких белков только при производстве плавленых сыров, сырной массы и рассольных сыров.

Мембранная технология позволила полученный в результате ультрафильтрации молочный концентрат, содержащий казеин и сывороточные белки, использовать в качестве исходного сырья для производства твердых и мягких сыров.

Исходное сырье (обезжиренное молоко, пахта и сыворотка), предназначенное для мембранной обработки с целью получения продуктов и полуфабрикатов пищевого назначения, должно отвечать соответствующим требованиям.

В настоящее время промышленное производство сыров с использованием мембранной технологии организовано в США, Дании, Австралии, ФРГ, России и других странах. Так, в США вырабатываются сыры твердый, полутвердый и для плавления, в Дании и Австралии – рассольный, в ФРГ – рассольный, мягкий сыр с голубой плесенью.

Практика показала следующие преимущества выработки сыров из предварительно сконцентрированного молока с помощью мембранной техники перед традиционными способами: улучшение технологических свойств молока; увеличение выхода готового продукта; сокращение расхода молокосвертывающих препаратов; увеличение производительности оборудования для получения сырного сгустка и его обработки; уменьшение числа емкостей для хранения сырья. Снижается потребность в сычужном ферменте.

Применяется ультрафильтрация при выработке концентрированного замороженного молока, чтобы исключить разрушительное действие лактозы и кальция на белки молока.

Применение мембранных процессов обработки сыворотки, т.е. жидкости, которая остается после коагуляции молока при производстве сыра, дает возможность организовать практически безотходную ее переработку на пищевые цели.

Избавление от сыворотки, связанное с высокой биохимической потребностью в кислороде, создает трудности из-за низкой концентрации в сыворотке органических веществ. С помощью ультрафильтрации из сыворотки удается извлечь такие белки, как лактоглобулин и лактальбумин, и такой сахар, как лактозу. Многие годы сыворотку подвергали упариванию для получения сыра типа «рикотта»; использование же для этой цели ультрафильтрации дает большую экономию энергии.

Полученные в результате мембранной обработки концентраты могут быть использованы при производстве традиционных и новых видов продуктов питания, отличающихся повышенной биологической ценностью. Фильтраты после их дополнительной обработки также могут стать основой при получении новых видов продуктов или пищевых полуфабрикатов.