 |
Основные сведения о мембранных процессах
|
|
|
|
К мембранным процессам обработки жидких пищевых сред относят [30]:
- ультрафильтрацию;
- обратный осмос;
- электродиализ;
- диффузионное разделение газов;
- диализ;
- испарение через мембрану.
Сущность мембранных процессов заключается в разделении и концентрировании жидкостей в процессе фильтрации через специальные мембраны под действием давления (ультрафильтрация и осмос) или электромагнитного поля (электродиализ).
Так, например, ультрафильтрация в молочных производствах используется для выделения белков из молока и молочной сыворотки. При обратном осмосе происходит повышение концентрации молокосодержащего сырья, поскольку через мембрану проходит только вода. С помощью электродиализа осуществляется деминерализация жидкостей, например, молочной сыворотки.
Принципиальная схема мембранного разделения приведена на рис. 7.3. Удельная производительность, равна массовому расходу пермеата через единицу поверхности мембраны, определяет скорость процесса мембранного разаделения.
Рис. 7.3.Схема мембранного разделения
1 – аппарат, 2 – мембрана
Селективность разделения характеризуется фактором разделения равным 
, где 
- молярные концентрации компонентов в исходной смеси; 
- то же в пермеате. Селективность выражается коэффициентом 
.
Метод обратного осмоса состоит в фильтровании растворов под давлением через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и задерживающие молекулы растворенных веществ. Явление осмоса – это явление самопроизвольного перехода растворителя через мембрану в раствор до достижения равновесия. Это равновесие достигается при осмотическом давлении. При большем давлении со стороны раствора перенос растворителя будет происходить в обратном направлении (обратный осмос) (рис. 7.4).
|
|
|
а) б) в)
Рис. 7.4 Схема массопереноса через мембрану при прямом (а) и обратном (в) осмосе и при равновесии (б)
Движущая сила 
обратного осмоса при применении идеальной селективной мембраны (
) определяется разностью 
, где 
- осмотическое давление раствора. В реальных мембранах при расчете движущей силы учитывают осмотическое давление 
фильтрата, прошедшего через мембрану 
.
Разделение обратным осмосом осуществляется без фазовых превращений, поэтому расход энергии незначителен. Так, работа на продавливание 1 м3 воды при 
МПа составляет всего 1,36 кВт·ч, тогда как на испарение того же количества воды требуется 620 кВт·ч.
Преимуществом аппаратов обратного осмоса является их простота и обычная температура протекания процесса разделения.
Ультрафильтрация – это процесс разделения растворов соединений, протекающий под действием разности давлений до мембраны и после.
Ультрафильтрация проходит при низких давлениях – 0,2…1,0 МПа.. Если мембранный процесс применяется для отделения из раствора крупных коллоидных частиц или взвешенных микрочастиц от 0,1 до 10 мкм, то такой процесс называется микрофильтрацией. Микрофильтрация осуществляется при давлении в десятые и сотые доли МПа и получила широкое распространение в различных отраслях промышленности для концентрирования тонких суспензий, осветления растворов, очистки стоков и природных вод.
Нанофильтрация занимает промежуточное положение между обратным осмосом и ультрафильтрацией. С ее помощью можно разделить вещества с молекулярной массой 300…3000, а также ионы тяжелых металлов.
Диализ – это процесс самопроизвольного разделения молекул высокомолекулярных и низкомолекулярных веществ при помощи полупроницаемых мембран, пропускающих малые молекулы, и задерживающих макромолекулы и коллоидные частицы. Электродиализ – это диализ в электрическом поле, обеспечивающий значительное ускорение процесса очистки растворов от электролитов.
|
|
|
Кинетика процессов мембранного разделения. Для объяснения механизма переноса вещества через полупроницаемые мембраны используют следующие теории:
- теория просеивания, сущность которой состоит в том, что в полупроницаемой мембране есть поры, размеры которых могут пропускать только растворитель, но они слишком малы для молекул растворенных веществ;
- теория молекулярной диффузии основана на разной растворимости и разных коэффициентах диффузии разделяемых компонентов;
- теория капиллярно-фильтрационной проницаемости базируется на различии физико-химических свойств граничного слоя жидкости на поверхности мембраны и раствора.
Основными объектами биотехнологических производств являются ферменты, с помощью которых получают ферментные препараты или какие-либо полезные продукты с помощью ферментных препаратов. Особенностью этих производств, несмотря на различие технологий и аппаратурного оформления, является организация и функционирование непрерывного биотехнологического потока преобразования исходного сырья в целевой продукт с заданными свойствами.
Операторные модели ферментных производств позволяют выделить общие технологические признаки. Так, в этих производствах превалируют процессы разделения жидких смесей, а среди объектов разделения доминируют ферментные системы и основные потери ферментативной активности происходят именно на стадии разделения ферментных систем.
Одним из наиболее эффективных способов разделения ферментных систем являются мембранные процессы, обеспечивающие следующие преимущества перед другими способами:
- возможность глубокого концентрирования ферментов (в 20 и более раз);
- возможность полной очистки ферментов от низко и высокомолекулярных соединений;
- возможность разделения сред при пониженных температурах;
- неизменность РН;
- безреагентность;
- осуществление процессов в асептических и герметичных условиях.
В качестве примера на рис. 7.5 приведено строение системы мембранного разделения ферментных смесей [34].
|
|
|
Подсистема А представляет собой объект разделения – ферментную смесь, подсистема Б – устройство, включающее мембранный барьер, через который осуществляется трансмембранный массоперенос в процессе разделения. Взаимные связи между подсистемами определяют качество контактов, которые обеспечиваются техническими параметрами технологического оборудования. Обе подсистемы являются централизованными, поскольку в каждой из них ведущую роль играет один из системообразующих элементов: в одной – ферменты, в другой – мембрана.
Рис. 7.5 Модель системы типового процесса мембранного разделения ферментиосодержащих сред (по [34])
На рис. 7.6. приведена схема селективной проницаемости мембран при разделении ферментных систем на примере ультрафильтрации.
Рис.7.6. Схема механизма проницаемости мембраны
В этой модели предполагается, что существенное влияние на сепарационные характеристики мембраны оказывает слой жидкости, образующийся при контакте раствора с мембраной, как на ее поверхности, так и в ее порах. Примембранный слой может быть непроницаем для веществ, которые не растворяются в жидкости, поэтому некоторые ферменты могут задерживаться мембраной несмотря на то, что размеры молекул будут меньше диаметра пор. Снижение пропускной способности может быть связано наличием влаги в порах, вызывающих уменьшение сечения пор. Одни поры (а) могут быть полностью блокированы слоем влаги, другие будут пропускать только молекулы растворителя (б), третьи - молекулы растворителя и низкомолекулярных примесей (в),четвертые – т молекулы ферментов.
Трансмембранный массоперенос при разделении ферментных смесей сопровождается концентрационной поляризацией, оказывающей негативное влияние на устойчивость мембранных систем. На рис. 7.7. приведена схема мембранного разделения ферментной смеси с учетом концентрационной поляризации при установившемся режиме.
Рис.7.7.Схема потоков и распределение концентраций при мембранном разделении ферментных смесей
1 – поток разделяемой смеси, 2 – пограничный слой, 3 – гелевый слой, 4 – мембрана, 5 – пермеат
|
|
|
Для высокоселективных мембран концентрационная поляризация может быть представлена выражением 
, где 
- удельная пропускная способность мембраны, м3/(м2 ·ч); 
- толщина пограничного слоя у поверхности мембраны со стороны раствора, м; 
- коэффициент диффузии, м2/с.
Повышение устойчивости мембранных систем может быть достигнуто:
- применением мембран с невысокой пропускной способностью,
- функционированием при повышенной температуре,
- уменьшением толщины мембранного канала,
- интенсификацией гидродинамических условий у поверхности мембраны.
Установлено, что при ультрафильтрации ферментных систем производительность мембран линейно возрастает при повышении рабочего давления до 0,4 МПа, затем рост производительности замедляется и при давлении более 0,6МПа – снижается. С увеличением температуры производительность полимерных мембран также возрастает линейно (рис. 7.8).
Рис. 7.8. Влияние давления и температуры на работу мембранных систем
По сравнению с традиционными методами, применяемыми в ферментных производствах (сепарированием и фильтрованием) более высокую эффективность очистки от микрофлоры и тонких взвесей обеспечивает использование микрофильтрационных мембран.
Рабочим органом аппарата для фильтрации и обратного осмоса является полунепроницаемая мембрана, изготавливаемая из ацетата целлюлозы и пористых полимерных материалов. Размеры пор мембраны для ультрафильтрации составляют от 500 до 100 нм. Процесс осуществляется при рабочем давлении от 0,1 до 05 МПа.
Размер пор при обратном осмосе составляет 50 нм, а давление - 1…10 МПа.
Рис. 6.4. Схема мембранного аппарата
Типовой мембранный аппарат представляет собой устройство, содержащее корпус, мембраны, дренажный узел, элементы ввода исходного продукта и вывода концентрата и фильтрата, перемешивающие устройства (рис. 6.4).
Для мембранного разделения жидких продуктов используют плоскорамные, трубчатые и рулонные аппараты, а также аппараты с полыми волокнами и др. На рис. приведены варианты исполнений мембранных аппаратов.
Рис. Схемы конструктивных исполнений мембранных аппаратов
а) плоскорамный вариант: 1 – фланец, 2 – мембрана, 3 – дренажная пластина, 4 – уплотнитель, 5 – разделитель
б) трубчатый вариант: 1 – герметик, 2 – корпус, 3 – мембрана
в) рулонный вариант: 1 – трубка отвода фильтрата, 2 – мембрана, 3 – турбулизатор, 4 – дренажная подложка, 5 - прокладка клеевая
г) вариант с полыми волокнами: 1 – дренажная подложка, 2 – шайба, 3 – корпус, 4 - полая волоконная трубка, 5 – фланец
|
|
|
Условные обозначения
- удельная пропускная способность мембраны
- толщина пограничного слоя у поверхности мембраны
- коэффициент диффузии
- концентрация и скорость движения исходного раствора
- концентрация и скорость концентрата
- концентрация и скорость пермеата
Глоссарий
Концентрат – продукт, получаемый из исходного раствора после мембранного разделения
Пермеат – фракция, оставшаяся после выделения концентрата из исходного раствора.
7.Методы оптимизации процессов
7.1.Методы и задачи оптимизации процессов
7.2.Оптимизация состава сыпучих смесей
Условные обозначения
Глоссарий
Контрольные вопросы
|
|
|
