Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Работа мембранных систем / пищевая инженерия

Работа мембранных систем подразумевает поддержание потока пермеата и задерживание растворенного вещества в заданных пределах, определяемых требованиями к данному продукту и технологии. Поток пермеата в ходе обработки некоторого раствора намного слабее, чем поток чистой воды. Причинами уменьшения потока являются: гидравлические характеристики раствора, различные формы взаимодействия в мембране, концентрационная поляризация и загрязнения мембраны. Основа правильной работы мембранных систем — понимание вышеуказанных механизмов и управление ими.

Явления загрязнения

Основная проблема при проведении мембранных процессов — это ослабление потока с течением времени (в основном из-за зазрязнения). Строго говоря, загрязнение выражается в постепенном уменьшении потока, при этом остальные рабочие параметры — давление, температура, концентрация, скорость и т.п. — остаются неизменными.

Легче всего выявляется загрязнение мембранных модулей. При работе со взвесями используются модули из полых волокон, и крупные частицы могут заблокировать вход в эти волокна. В спиральных мембранных модулях частицы помимо блокировки входов попадают в ячейки сетки питателя. Подобные явления сопровождаются уменьшением потока, а также увеличением перепадов давления вдоль модуля, что можно легко обнаружить.

За первые несколько секунд с начала запуска мембраны на ее поверхности образуется концентрированный поляризованный слой (это неизбежное, но обратимое явление). Уменьшение потока вследствие концентргционной поляризации может быть снижено путем уменьшения давления, увеличения скорости или снижения концентрации, и поэтому такое явление не считается загрязнением.

Второй вид загрязнения, встречающийся на поверхности мембраны, — это следствие концентрационной поляризации. Растворенные вещества, накапливающиеся на поверхности мембраны, подвергаются со временем необратимым изменениям и формируют на поверхности мембраны намывные слои. Механизм образования намыв ного слоя регулируется взаимодействиями "поверхность-химические явления", «мембрана-растворенное вещество» и «растворенное вещество». Типичными веществами, загрязняющими поверхность при ультрафильтрации, являются такие макромолекулы, как белки, пектины и крахмалы. При обратном осмосе основными загрязнителями поверхности мембраны являются неорганические вещества — например, сульфат кальция, фосфат кальция и углекислый кальций.

Третий вид загрязнения — это засорение проходных отверстий. Достаточно мелкие растворенные вещества проникают в поры мембраны и оседают на определенных участках (изгибах и сужениях). Особенно подвержены подобному виду загрязнения извилистые проходные отверстия микропористых микрофильтрационных мембран. В проходных отверстиях капиллярных мембран подобное засорение обычно не наблюдается, поскольку диаметр их поперечного сечения одинаков. Асимметричные мембраны менее устойчивы к подобного рода засорениям из-за изменяющегося профиля проходных отверстий.

Четвертый вид загрязнения — это адсорбция растворенного вещества, способствующая уменьшению размеров проходных отверстий. Даже небольшое уменьшение их диаметра значительно сокращает поток, поскольку последний пропорционален четвертой степени диаметра. Считается, что основным признаком загрязнений при ультрафильтрации является адсорбция белков на стенках проходных отверстий. Керамическая микрофильтрация водных растворов сахаров показала, что взаимодействие мембрана-сахар вызывает уменьшение проницаемости.

Предварительная обработка

Засорение фидерных каналов ингредиентами взвесей должно регулироваться путем физического его устранения в ходе предварительной обработки. Это особенно важно для спиральных мембранных модулей, наиболее подверженных этому виду засорения. Взвешенные вещества, оседающие примерно за 1 ч, и частицы крупнее одной десятой диаметра фидерного канала для подобных модулей считаются вредными. Спиральные мембранные модули производятся с различным стандартом проходных отверстий. Типовая ширина проходных отверстий — 24, 30, 45 и 80 мил. Следовательно, частицы более 3 мил (или 75 мкм) должны быть удалены, а наиболее часто применяемой шириной проходного отверстия является 30 мил.

При предварительной обработке наиболее часто применяется предварительная фильтрация фильтрами грубой очистки. Проволочные клиновидные фильтры, вибросита, вращающиеся сита, параболические напорные экраны — все это примеры некоторых фильтров грубой очистки. Для разделения мелких створоженных частиц, остающихся в сыворотке перед ультрафильтрацией, применяется также центрифугирование.

Волоконные и трубчатые модули по сравнению со спиральными требуют менее строгого экранирования, однако модули из тонкого волокна требуют более тонкой предварительной очистки. Фруктовый сок, концентрируемый с использованием тонких волоконных модулей, требует предварительной очистки с помощью ультрафильтрации.

Предварительная обработка напорного потока химическими способами необходима для удаления химически активных загрязнителей. При обратном осмосе корректировка pH путем добавления кислот используется для предотвращения карбонатной накипи, тогда как кислые соли — для предотвращения сульфатной накипи. При обратном осмосе вызывают коагуляцию в коллоидных взвесях, применяя полиэлектролиты. При использовании тонкопленочных композитных мембран с низкой сопротивляемостью хлору применяется дехлорирование (посредством добавления бисульфита натрия или обработки активированным углем).

Пектин — основной загрязнитель при осветлении и концентрировании фруктовых соков. Удаление пектина при помощи ферментов уменьшает загрязнение мембраны и увеличивает выход сока. На производствах, где используются гидроколлоиды (желатинизированный крахмал и желатин), загрязнение ими можно уменьшить повышением температуры, что также увеличивает поток пермеата вследствие уменьшения вязкости.

Очистка мембран

Резко сократить загрязнение можно путем модернизации мембран, мембранных модулей и систем, технологии и предварительной очистки, однако длительная работа мембран неизбежно требует применения тех или иных форм очистки, которая проводится механическими, гидравлическими и химическими методами.

Механическая очистка трубных систем большого диаметра осуществляется проталкиванием сквозь трубы губок сферической формы, диаметр которых больше диаметра трубы. Гидравлическая очистка может проводиться разными способами. В трубных и монолитных мембранных системах используется периодическая промывка обратным потоком и пульсация обратным потоком пермеата. Такие методы не применимы при использовании тонких пленочных мембран из-за возможности отслоения пленки. Изменение направления потока на обратное (реверсирование) применяется для очистки мембран из полых волокон, где загрязнения скапливаются преимущественно на выходе. Повышение давления потока пермеата применяется в системах микрофильтрации скорее как технологический прием, а не как способ очистки.

Химическая очистка — наиболее важный метод очистки мембран, разработанный в рамках узкоспециализированного рынка моющих средств. Кислоты (азотная, фосфорная, лимонная) используются для удаления неорганических загрязнений (например, фосфата кальция в молочной промышленности и углекислого кальция при обессоливании). При органических загрязнениях наиболее эффективна щелочная мойка. Очистка от белков и жиров (основных источников загрязнений в молочной промышленности) осуществляется с помощью щелочей или хлора.

Химическая очистка мембран, работающих на принципе обратного осмоса, требует особого внимания к проблемам химической стойкости мембран. Композитные мембраны обладают ограниченной стойкостью к хлору, но более стойки к изменению pH, в связи с чем их можно промывать относительно сильными кислотами и щелочами. Асимметричные мембраны из ацетата целлюлозы обладают лучшей стойкостью к хлору, но хуже переносят повышенную кислотность. Большинство материалов, используемых при микро- и ультрафильтрации, отличаются как высокой стойкостью к хлору, так и к изменению pH.

Управление мембранной системой

Цель управления мембранной системой в том, чтобы поддерживать требуемые расходы и качество технологического потока в зависимости от изменений потока на входе и в технологической системе. Главная проблема, с которой должна справляться система управления, — уменьшение потока со временем из-за загрязнения. Основной параметр, подлежащий управлению в мембранной системе — это давление.

Система управления подстраивает давление под изменения потока пермеата из-за загрязнения или изменения концентрации на входе. Давление регулируется пневматическим обратным клапаном давления. Качество выходного потока контролируется путем поддержания заданного соотношения между расходами на выходе и входе. В случае применения насосов с регулируемым числом оборотов для поддержания данного соотношения используется регулировка двигателя насоса. В случае же применения многоконтурных центробежных насосов для контроля расхода используется контрольный клапан на выходе насоса.

Обычно в пищевой промышленности мембранная система начинает работать утром при низком давлении. В течение дня давление постепенно повышается для поддержания необходимой производительности линии, а поток постепенно уменьшается из-за загрязнения. В молочной промышленности при суточной работе системы в течение примерно 20 ч требуется ее очистка в течение 4 ч. Такая схема соответствует нормам обязательной мойки иного заводского оборудования. При производстве фруктовых соков обычно применяется мойка оборудования два раза в день. Некоторые мембранные системы предусматривают возможность размещения резервного набора мембран.

 

Друзья! FSHQ довольно молодой ресурс, мы группа создателей сайта имеем общее увлечение всей нашей жизни в лице этого проекта, мы пытаемся нести пользу людям. Мы не хотим, и не будем заваливать весь проект огромным количеством рекламы для того чтобы была финансовая возможность строить этот ресурс, потому мы решили обратиться к нашим читателям с просьбой поддержать наш проект, всего 5 рублей, большего не просим. Надеемся, что данная сумма не станет большой потерей для бюджета наших посетителей, эта помощь будет просто неоценима, для проекта это жизнь, а вместе с ним живем и работаем мы. Это очень важно для нас. Спасибо! VISA - 4276020013209090; WebMoney - R256677704329; Z164891118384;

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору!
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник.
Яндекс.Метрика