Содержание к диссертации
Введение
Технологии обработки технологических жидкостей с применением мембран 20
1.1. Комплексная оценка технологических жидкостей пищевых производств как объекта исследования 20
1.2. Теоретические вопросы моделирования мембранных процессов обработки технологических жидкостей
1.2.1. Математические модели мембранных процессов 29
1.2.2. Концентрационная поляризация в процессах мембранной обработки технологических жидкостей 46
1.3. Краткий обзор техники и технологии обработки технологических жидкостей с применением мембран 52
1.3.1. Принципиальные схемы организации мембранных процессов. 52
1.3.2. Виды мембран и конструкции мембранных модулей
1.4. Мембранные процессы, применяемые при переработке технологических жидкостей 70
1.5. Анализ литературного обзора, научная концепция, формулировка цели и основных задач исследований 78
ГЛАВА2. Объекты, методики и оборудование для проведения экспериментальных исследований 83
2.1. Объекты экспериментальных исследований 83
2.1.1. Технологические жидкости и модельные растворы 83
2.1.2. Мембраны
2.2. Экспериментальные установки для микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей 97
2.3. Методика проведения экспериментальных исследований 105
2.3.1. Методика исследования показателей качества технологических жидкостей 5
2.3.2. Методика исследования процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей 115
2.4. Средства измерения параметров и анализ погрешности измерения 121
Выводы и результаты 123
ГЛАВА3. Исследование кинетических и гидродинамических параметров процесса микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей 124
3.1. Анализ факторов, влияющих на уровень концентрационной поляризации в процессе мембранной обработки технологических жидкостей 124
3.2. Исследование кинетики микрофильтрации пива при различных режимах организации процесса с использованием трековых мембран 128
3.3. Исследование зависимости гидродинамических параметров микрофильтрации пива на уровень концентрационной поляризации 131
3.3.1. Влияние интенсивности перемешивания 131
3.3.2. Влияние величины тангенциальной скорости потока 133
3.3.3. Влияние высоты мембранного канала 134
3.3.4. Влияние величины давления 135
3.4. Исследование кинетики микрофильтрации пива с использованием керамических мембран
141
3.4.1. Подбор порога задержки керамических мембран для эффективного осветления пива .
3.4.2. Подбор керамических мембран для предварительного осветления пива
3.4.3. Исследование влияния различных параметров процесса микрофильтрации пива на проницаемость керамических мембран 3.4.4. Исследование импульсного режима в процессе
микрофильтрации пива 145
3.5. Экспериментально-статистические методы исследования
процесса ультрафильтрации инулиназы 147
3.5.1. Выбор рациональных параметров процесса ультрафильтрации инулиназы 147
3.5.2. Обоснование выбора и пределов изменения входных факторов 147
3.5.3. Оптимизация процесса ультрафильтрации 1 3.6. Исследование кинетики ультрафильтрации воды 155
3.7. Исследование кинетики и гидродинамики ультрафильтрации творожной сыворотки 159 Выводы и результаты 166
ГЛАВА4. Математическое моделирование процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей 167
4.1. Массоперенос в процессе микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей 167
4.2. Разработка математической модели процесса массопереноса в условиях концентрационной поляризации 171
4.3. Разработка математической модели микрофильтрации суспензии в трубчатом мембранном канале 190 Выводы и результаты 203
ГЛАВА5 Оценка применимости процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей на предмет разрешающей способности мембран 204
5.1. Комплексная оценка показателей качества технологических жидкостей, обработанных микро- и ультрафильтрацией 204
5.1.1. Исследование химического состава 204
5.2.1. Исследование физико-химических свойств 211
5.3.3. Исследование микробиологических свойств 215
5.2. Исследование режимов сбраживания при производстве спирта с использованием воды, обработанной различными методами 218
5.3. Оптимизация рецептуры хлеба повышенной пищевой ценности с использованием гидролизованного порошка топинамбура 226
Выводы и результаты 234
ГЛАВА6 Повышение эффективности мембранных процессов обработки технологических жидкостей 235
6.1. Обоснование концептуального подхода к интенсификации процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей 235
6.2. Рациональные технологические параметры микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей 239
6.3. Мойка и регенерация мембран 246
6.4. Разработка инженерных методов расчета процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей 254
6.4.1 Инженерная методика расчета процесса микро- и ультра фильтрации в плоскорамном мембранном модуле 254
6.4.2. Инженерная методика расчета процесса микро- и
ультрафильтрации в трубчатом мембранном модуле 258
Выводы и результаты 261
ГЛАВА7. Практическое применение результатов исследования 262
7.1. Разработка способов переработки технологических жидкостей с использованием мембран 262
7.2. Разработка мембранного оборудования с пониженным уровнем концентрационной поляризации 277
7.3. Применение процесса микрофильтрации пива в условиях ООО «Альмерия» 294 7.4. Практические рекомендации при переработке творожной
сыворотки с помощью ультрафильтрации 296
Выводы и результаты 299
Основные выводы и результаты 300
Литература .
- Краткий обзор техники и технологии обработки технологических жидкостей с применением мембран
- Экспериментальные установки для микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей
- Исследование кинетики микрофильтрации пива при различных режимах организации процесса с использованием трековых мембран
- Исследование режимов сбраживания при производстве спирта с использованием воды, обработанной различными методами
Введение к работе
Актуальность работы. Агропромышленный комплекс (АПК) является важнейшей составляющей экономики России. АПК производит жизненно важную для общества продукцию и имеет огромный экономический потенциал. Актуальность инновационного развития АПК подчеркивается в ежегодных посланиях Президента РФ Федеральному собранию. Необходимость увеличения производительности АПК влечет за собой потребность в эффективных инновационных технологиях. Одной из таких технологий является мембранная технология.
Теоретические основы мембранных процессов и их аппаратурное оформление отражены в работах Дытнерского Ю. И., Храмцова А. Г., Брыка М. Т., Тимашева С. Ф., Абарышева В. М., Федоренко Б. Н., Шапош-ника В. А., Черкасова А. Н., Адрианова А. П., Лазарева С. И., Первова А. Г., Айзенштейна Э. М., Свитцова А. А., Лобасенко Б. А., Лялина В. А., Евдокимова И. А., Дыкало Н. Я., Полянского К. К. и др., а также Т. Брока, М. Мул-дера, М. Мак-Кечни, С. Хоффмана, Р. Шленкера и др.
Мембранные методы разделения жидких сред уже сегодня заняли прочное место в арсенале технологических процессов, хотя полное становление и отдача мембранной науки и технологии еще впереди. К этому необходимо добавить серьезные возможности мембранных процессов в решении важнейшей задачи современного этапа развития пищевой промышленности, заключающейся в ее технологическом обновлении.
Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы – развитие научно-практических основ интенсификации процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей пищевых производств при создании гидродинамических неустойчивостей в мембранном канале; разработка рекомендаций по проектированию и внедрению в производство высокоэффективных мембранных аппаратов с низким уровнем концентрационной поляризации, обеспечивающих повышение показателей качества конечной продукции.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
-
Исследование химических, физико-химических, микробиологических свойств технологических жидкостей пищевых производств как объектов обработки с использованием мембран различного типа.
-
Разработка научно-практических подходов к интенсификации процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей пищевых производств с возможностью установления наилучших вариантов между уровнем гидродинамического воздействия и показателями качества промежуточного и конечного продукта.
-
Исследование основных закономерностей процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей пищевых производств с использованием мембран различного типа и вариаций режимов гидродинамического воздействия на межфазную границу «мембрана-продукт», определение рационального диапазона изменения технологических параметров.
-
Разработка математической модели массопереноса через мембрану в канале прямоугольного сечения для определения технологических параметров обрабатываемых жидкостей в любой точке мембранного модуля и оценки уровня концентрационной поляризации по анализу профилей концентраций обрабатываемого раствора по длине поверхности мембраны.
-
Разработка математической модели микрофильтрации суспензии в трубчатом мембранном канале с возможностью оценки уровня концентрационной поляризации по совокупному анализу технологических параметров применяемых мембран, мембранного процесса и физических свойств обрабатываемой технологической жидкости.
-
Получение закономерностей, позволяющих рассчитать удельные энергозатраты и технологические параметры обрабатываемой жидкости в зависимости от гидродинамических условий в мембранном модуле и концентрации сухих веществ в исходном растворе; решение задачи по поиску оптимальных режимов работы мембранной установки при минимальных энергозатратах на циркуляцию раствора при обеспечении наилучших показателей качества промежуточной продукции.
-
Разработка инженерных методов расчета предлагаемых перспективных конструкций мембранных аппаратов для реализации процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей пищевых производств при развитых гидродинамических неустойчивостях в примембранной зоне.
-
Проведение промышленной апробации предлагаемых технических решений с их технико-экономической оценкой для внедрения в производство.
Научная концепция. Научное обеспечение подходов и методов интенсификации процессов микро- и ультрафильтрации при переменных режимах гидродинамического воздействия на межфазную границу «мембрана продукт»; создание высокоэффективных способов снижения концентрационной поляризации с соответствующим аппаратурным оформлением на основе анализа кинетических и гидродинамических закономерностей, а также результатов математического моделирования, объективно оценивающих мембранный процесс при обеспечении высоких показателей качества промежуточной и конечной продукции.
Научные положения, выносимые на защиту:
– обоснование концептуального подхода к интенсификации процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей пищевых производств, направленного на снижение уровня концентрационной поляризации, за счет обоснованных технологических режимов при создании развитых гидродинамических неустойчивостей в примембранной зоне;
– результаты экспериментального исследования кинетических и гидродинамических закономерностей процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей пищевых производств при вариативных режимах гидродинамического воздействия на межфазную границу «мембрана продукт» с использованием трековых, керамических и половолоконных мембран;
– результаты математического моделирования процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей и их использование при проектировании мембранных аппаратов с низким уровнем концентрационной поляризации;
– инженерные методы расчета, рациональные режимы процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей, способствующих снижению уровня концентрационной поляризации на поверхности мембран, увеличению их удельной производительности и повышению показателей качества промежуточной и конечной продукции.
Научная новизна. Разработан концептуальный подход к интенсификации процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей пищевых производств, направленный на снижение уровня концентрационной поляризации за счет обоснованных технологических режимов при создании развитых гидродинамических неустойчивостей в примембранной зоне, что достигается математическим моделированием условий массопереноса через мембрану и оптимизацией перспективных конструкций мембранных аппаратов.
Изучены кинетические, гидродинамические закономерности процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей пищевых производств (пива нефильтрованного непастеризованного, ферментного препарата инулиназы, технологической воды спиртового производства, сыворотки творожной); получены новые экспериментальные данные и диапазон изменения основных кинетических и гидродинамических характеристик технологических жидкостей при различных режимах организации мембранных процессов с использованием трековых, керамических и половоРлаозкроанбноытхан ма е мбатреамн.а тическая модель массопереноса через мембрану в канале прямоугольного сечения для определения технологических параметров обрабатываемых жидкостей в любой точке мембранного модуля и оценки уровня концентрационной поляризации по анализу профилей концентраций обрабатываемого раствора по длине поверхности мембраны.
Разработана математическая модель микрофильтрации суспензии в трубчатом мембранном канале с возможностью оценки уровня концентрационной поляризации по совокупному анализу технологических параметров применяемых мембран, мембранного процесса и физических свойств обрабатываемой технологической жидкости.
Получены закономерности, позволяющие рассчитать удельные энергозатраты и технологические параметры обрабатываемой жидкости в зависимости от гидродинамических условий в мембранном модуле и концентрации сухих веществ в исходном растворе; решена задача по поиску оптимальных режимов работы мембранной установки при минимальных энергозатратах на циркуляцию раствора при обеспечении наилучших показателей качества промежуточной продукции.
Научная новизна предложенных технических решений подтверждена 15 патентами РФ на изобретения.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Комплексные теоретические и экспериментальные исследования, результаты математического моделирования, анализ работы установок микро- и ультрафильтрации при вариативных режимах гидродинамического воздействия на межфазную границу «мембрана продукт» позволили разработать методологические подходы к созданию высокоэффективных способов переработки технологических жидкостей с использованием мембран (пат. РФ №№ 2206365, 2495122, 2528027) с соответствующим аппаратурным оформлением (пат. РФ №№ 2224582, 2174432, 2238794, 2252815, 2251446, 2206365, 2147459, 2148427, 2506990, 2331456, 2560417, 2280496).
Определены и обоснованы рациональные технологические режимы процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей при созданных гидродинамических неустойчивостях различной интенсивности с использованием трековых, керамических и половолоконных мембран при условии обеспечения показателей качества обрабатываемых сред.
Показана целесообразность и эффективность использования трековых и керамических мембран для осветления пива в производственных условиях мини-пивоварен; предложены схемы компоновки мембранных модулей с керамическими мембранами, обеспечивающими стабильные показатели качества осветляемого продукта; разработана технологическая инструкция производства пива нефильтрованного непастеризованного с последующим использованием микрофильтрации в условиях мини-пивоварен.
Оценена технологическая эффективность от использования воды, обезжелезиваемой ультрафильтрацией на половолоконных мембранах в процессах сбраживания зернового сусла спиртового производства.
Предложены и апробированы на пилотных установках алгоритмы, режимы, материалы для осуществления процессов регенерации и мойки трековых, керамических и половолоконных мембран.
Созданы методики инженерного расчета предлагаемых перспективных конструкций мембранных аппаратов для реализации процессов микро-и ультрафильтрации технологических жидкостей пищевых производств при развитых гидродинамических неустойчивостях в примембранной зоне.
Разработана рецептура хлеба диабетического назначения на основе порошка топинамбура, гидролизованного инулиназой.
Проведена промышленная апробация предлагаемых технических решений при производстве пива нефильтрованного пастризованного на мини-пивоварне ООО «Альмерия» и переработке молочной сыворотки в условиях ОАО «Молочный комбинат «Воронежский», ООО «Бондарский сыродельный завод»; выполнена технико-экономическая оценка для внедрения в промышленное производство пивоваренной, спиртовой и хлебопекарной отраслей.
Продана лицензия (договор № 20729/05 от 19.01.05 г.) на право ис
пользования интеллектуальной собственности предприятием
ООО «Антарес» по патенту РФ на изобретение № 2224582.
Апробация работы. Материалы и отдельные результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались на международных, всероссийских научных, научно-технических и научно-практических конференциях и симпозиумах: (г. Могилев, 2001); (г. Саранск, 2001); (г. Уфа, 2003); (г. Казань, 2008, 2009); (г. Тамбов, 2010); (г. Пятигорск, 2012); (г. Красноярск, 2012); (г. Алматы, 2012); (г. Ставрополь, 2012), отчетных научных конференциях ВГУИТ (г. Воронеж, 2001 – 2015). Результаты работы демонстрировались на региональных выставках «Продторг» (г. Воронеж, 2001); «Пивной сезон. Напитки. Бар. Магазин. Ресторан 2001» (г. Воронеж, 2001), по итогам которых работа награждена дипломами.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 79 работ, в том числе 1 учебное пособие, 4 монографии, 23 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено 15 патентов РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 328 страницах машинописного текста, содержит 148 рисунков и 32 таблицы. Список литературы включает 245 наименований, в том числе 63 на иностранных языках. Приложения к диссертации представлены на 86 страницах.
Краткий обзор техники и технологии обработки технологических жидкостей с применением мембран
Пивоваренная промышленность. Фильтрование пива придает напитку прозрачность и необходимую стойкость при хранении. При фильтровании пива происходит задержка взвешенных частиц внутри фильтрующего материала, в капиллярах, средний размер которых в слое фильтрационной массы достигает около 40...50 мкм. Самая крупная фракция пивного осадка -дрожжи, которые и являются главной причиной закупорки пор фильтрующей перегородки [32, 67, 99, 155].
Коллоидный комплекс пива представлен декстринами, пектинами, пентозанами, дубильными и белковыми веществами, а также горькими веществами хмеля. Перечисленные вещества являются гидрофильными коллоидами. Золи декстринов, пектинов и горьких кислот хмеля заряжены отрицательно. В кислой среде белки, содержащиеся в пиве, заряжены положительно. Таким образом, при отрицательном заряде капилляров фильтрующей перегородки, благодаря электрическому притяжению, мицеллы положительно заряженных белков будут оседать на стенках капилляров, приводя к их закупориванию. В результате адсорбции удаляются из осветляемого пива частицы очень высокой степени дисперсности, т.е. настолько мелкие, что их нельзя ни механически задержать, ни механически увлечь в осадок. Хорошо удерживаются фильтрующей перегородкой поверхностно-активные вещества (азотистые, красящие вещества, хмелевые смолы, высшие спирты и эфиры) [63, 89, 188].
При фильтрации изменяются свойства пива: уменьшается вязкость, повышается рН, уменьшается содержание экстракта, снижается пенообразова-ние и поверхностное натяжение. Понижение вязкости, происходящее при небольшом уменьшении экстракта, объясняется потерей значительной части гидрофильных коллоидов, оседающих на стенках капилляров фильтрующей перегородки. При значительной потере коллоидных соединений снижается пенообразующая способность. Адсорбция коллоидов кислого характера вызывает уменьшение активной кислотности с увеличением рН на 0,04…0,08. Понижение поверхностного натяжения объясняется удерживанием фильтрующей перегородкой поверхностно-активных веществ белкового характера. По этим причинам, на большинстве предприятий отрасли, отдается предпочтение осветлению пива сепарированием в качестве предварительной ступени осветления [97, 98].
Классическое фильтрование полностью не освобождает пиво от содержащихся в нем микроорганизмов. Фильтрующей перегородкой, в основном, задерживаются крупные дрожжи. Более мелкие культурные клетки дрожжей и бактерий беспрепятственно проходят через фильтрующую перегородку. Именно поэтому, грамотное использование процесса микрофильтрации пива позволит разрешить вышеперечисленные недостатки классической фильтра-ции и добиться определенных успехов в области стабилизации качественных показателей напитка [2, 5, 14, 78, 83, 160,165,167, 175, 200, 205, 210, 215].
Заслуживает внимания рассмотрение комплекса качественных показа-телей пива, с точки зрения, выбора размера пор мембран. Большую часть экстрактивных веществ (8…10%) представлена азотистыми веществами: белками, альбумозами, пептонами, амидами, аминокислотами и т.д. Содержание горьких веществ хмеля (изогумулона) находится в пределах 0,03… 0,09 г на 1 л в зависимости от количества хмеля, применяемого для приготовления пивного сусла [89].
Минеральные вещества составляют 3…4% от экстракта. Количество этих веществ зависит от состава сырья, воды [32]. При выборе способов осветления пива необходимо учитывать не только его химический состав, но и физико-химическое состояние составных веществ напитка [32, 67]. Наличие в пиве декстринов, пентозанов, сложных азотистых соединений, хмелевых смол, дубильных и красящих веществ в виде коллоидов, приводит к образованию электрических зарядов. Полнота вкуса, пенообразующая способность, биологическая и коллоидная стойкость напитка определяются величинами или составом вышеперечисленных составляющих. В виде ионов в пиве находятся кислоты и минеральные вещества. Они способны адсорбироваться на коллоидах и оказывать существенное воздействие на их электрические заряды и степень гидратации [99].
Важно учесть такие свойства пива, как пенообразующая способность, вкусовая и коллоидная стойкость, которые зависят от коллоидного равновесия в жидкости, причем это равновесие быстро изменяется. Например, в результате броуновского движения мицелл каждый коллоидный раствор изменяется в направлении коагуляции. На практике это приводит к опалесценции напитка с постепенным образованием осадка. Это явление сопровождается со значительными изменениями вкусовых характеристик пива [99].
Калорийность 1 л пива находится в пределах 1676...3352 кДж (400...800 ккал). Пиво содержит также витамины. Віл пива (плотность начального сусла 10%), содержится: рибофлавин - 325...550; тиамин 18...48; никотиновая кислота 5780...8900 мкг. Содержание рибофлавина в ячмене составляет 0,9... 1,8 мкг на 1 г зерна. Причем, в процессе солодоращения концентрация рибофлавина возрастает в два раза [99, 100]. Содержание алкоголя приводится в весовых процентах; оно колеблется у пива 7%-ной плотности между 1,8...2,2%, у пива 10%-ной плотности -между 2,4... 3,2% и у пива 12%-ной плотности- между 3,5... 4,5%. Цвет светлого пива колеблется между 0,45...0,70 мл 0,1N раствора йода; цвет темных сортов - 3... 12 мл 0,1N раствора йода. Фактическая кислотность готового пива колеблется в пределах рН 4,8...4,2 [64, 99, 159, 173].
Экспериментальные установки для микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей
На основании анализа преимуществ и недостатков принципиальных схем организации мембранных процессов, приведенного в п. 1.3.1 настоящего диссертационного исследования, принимаем за основу гидравлическую систему с циркуляционным контуром, не содержащим индивидуальный насос, т.к. предполагается проводить исследования процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей в диапазоне величин рабочих давлений, не превышающих 0,35...0,40 МПа. Также предполагается использовать ядерные, керамические мембраны с небольшой поверхностью фильтрации [138]. Это обстоятельство не относится к установке на базе половоло-конных мембран, конструкция которой будет рассмотрена ниже.
Согласно основным принципам концептуального подхода к интенсификации процессов микро- и ультрафильтрации, научно-практический интерес представляют варианты компиляций мембранных модулей различного типа с гидравлическими системами экспериментальных установок, построенных по тупиковому и проточному типу.
В основу конструирования мембранных установок и условий проведения экспериментов заложены принципы, учитывающие технологические особенности обрабатываемых технологических жидкостей. Например, для нефильтрованного пива, содержащего углекислоту, эти принципы сводились к следующим критериям: организация подвода и отвода пива под избыточным давлением, превышающем давление насыщения пива углекислотой; отказ на данном этапе от подающего насоса ввиду малой площади мембранной поверхности; применение магистралей малого диаметра и отсутствие резких переходов на пути следования обрабатываемого напитка.
Экспериментальная установка для исследования фронтальной микрофильтрации (рисунок 2.13, а, б) состояла из баллона 1 со сжатой пищевой газовой смесью «BIOGON», КЕГи 2 с фильтруемым пивом, заборной головки 3, охладителя 4, теплоизолированных трубопроводов 5, детектора пены 6, счетчика 7, мембранного модуля 8 с перемешивающим устройством, приемной КЕГи 9 с осветленным продуктом, источника постоянного тока 10 марки Б5 - 47, манометров 11 и тахометра 12 часового типа марки ТЧ 10 - Р. a
Мембранный модуль для исследования фронтальной микрофильтрации пива Организация экспериментальных исследований фронтальной микрофильтрации пива сводилась к следующей последовательности. Вначале мембранный модуль заполняли стерильной водой для полного вытеснения из системы воздуха через пробоотборник 10. Затем подавали нефильтрованное пиво, вытесняя им воду. Затем кранами 5 и 7, на основании показаний манометра 10, устанавливали необходимый перепад давлений. Удельная прони-цаемость ядерного фильтра оценивалась по объему пермеата в стеклянной трубке, получаемого за определенный период времени.
Наложение пульсационного поля осуществлялось по следующему алгоритму. При полностью закрытом кране для удаления ретентата добивались увеличения давления до 1,2... 1,5 МПа, после чего резким открытием этого же крана производили сброс давления до первоначального, т.е. до давления в гидравлической системе экспериментальной установки.
Наибольший практический интерес представляло изучение зависимости окружной скорости аксиального перемешивающего устройства на характер разрушения гелевого слоя на поверхности мембраны. Для создания вариаций окружных скоростей применяли устройство Б5 - 47. Частоту вращения измеряли, используя тахометр ТЧ 10 - Р.
Экспериментальная установка для исследования проточной микрофильтрации (рисунок 2.15) состояла из баллона 1 со сжатой пищевой газовой смесью «BIOGON», емкости 2 с фильтруемым пивом, манометров 3, насоса 4, плоскорамного мембранного модуля 5, приемной емкости 6 осветленного продукта, коммуникаций с вентилями, стеклянной трубки с делениями для измерения скорости процесса, мерного цилиндра с колпаком для осветленного пива (на рисунке не показаны).
В состав мембранного модуля (рисунок 2.16) для изучения проточной микрофильтрации пива входили: нижняя 1 и верхняя 2 прижимные пластины, пакет опорных элементов 3 с фиксаторами ядерных фильтров, тканевая подложка 4, стяжные болты 5, патрубок отвода пермеата 6, ввода исходной тех-нологической жидкости 7, отвода ретентата 8, манометр 9, комплект прокла-док 10 различной высоты, ядерный фильтр 11, укладываемый на листовой дренажный материал и закрепляемый с помощью фиксаторов (на рисунке 2.16 условно не показаны).
Организация экспериментальных исследований проточной микрофильтрации пива сводилась к следующей последовательности. Вначале мембранный модуль заполняли стерильной водой для полного вытеснения из системы воздуха через патрубки отвода пермеата 6 и ретентата 8. Затем, в отличие от схемы, приведенной на рисунке 2.13, из расходной емкости насосом подавали нефильтрованное пиво, вытесняя им воду. Затем краном на ли-нии отвода ретентата (см. рисунок 2.15), на основании показаний манометра 8, устанавливали необходимый перепад давлений. Удельная проницаемость ядерного фильтра оценивалась по объему пермеата в стеклянной трубке, получаемого за определенный период времени.
Также использовалась пилотная установка с керамическими мембра-нами. Установка с одним мембранным модулем была предназначена для определения основных условий организации процесса, проведения различных аналитических работ и моделирования новых и совершенствуемых процессов; получения данных для оценки процесса и составления регламента для проектирования промышленных мембранных установок; для получения небольших партий основных и побочных продуктов исследуемых процессов.
Установка (рисунок 2.17) состояла из трубчатого мембранного модуля 1 с керамической мембраной, бака 2 с исходным раствором, насоса 3, манометров 4 и 5, расходомеров 6 и 7 и приемного мерного цилиндра 8.
Исследование кинетики микрофильтрации пива при различных режимах организации процесса с использованием трековых мембран
Поскольку в дальнейшем планировалось использовать пермеат при производстве напитков функционального назначения (в смеси с экстрактом стевии), то для дальнейших исследований ультрафильтрацию творожной сыворотки осуществляли на керамической мембране с разрешающей способностью 100 кДа. Полученная кинетика удельной скорости ультрафильтрации свидетельствовала об активном формировании белкового слоя на поверхности керамической мембраны. Причем, с течением времени происходило увеличение его толщины и, очевидно, силы сцепления между его молекулами, приводящее, в конечном итоге, к увеличению общего сопротивления при прохождении пермеата через мембрану.
Согласно основной идеи концептуального подхода, практический интерес представляло использование прямых периодических промывок со сбросом давления (кривая 2), которые позволили, в конечном итоге, обеспечить прирост удельной скорости процесса в 1,4 раза по сравнению со способом (кривая 1), при котором отсутствовали какие-либо мероприятия по созданию гидродинамических неустойчивостей на межфазной границе «мембрана-продукт». Периодичность прямых промывок - каждые 12 мин, продолжительность - 30 с.
Зависимость удельной скорости ультрафильтрации от величины рабочего давления представлена на рисунке 3.30. Известно, что растворы высокомолекулярных соединений имеют небольшие значения осмотических давлений, поэтому, даже незначительное увеличение рабочего давления повышает проницаемость мембраны. В случае с творожной сывороткой увеличение величины рабочего давления свыше 0,35 МПа не приводило к существенному приросту проницаемости. Более того, неоправданное применение высоких величин давления неизбежно приводило к уплотнению слоя белковых отложений с неминуемым уменьшением производительности, а в некоторых случаях - к остановке процесса ультрафильтрации (достижение нулевой проницаемости мембраны).
Если по технологическим соображениям необходимо обеспечить сохранность белков в концентрате творожной сыворотки, то очень важным ог-раничивающим параметром, в этом случае, является температура процесса. Превышение температуры сыворотки свыше 50...55 С приводит к денатура-ции белка, а ультрафильтрация при температурах 10…15 С малоэффективна из-за увеличения вязкости, которая вызывает снижение скорости прохождения пермеата сыворотки через мембрану. Зависимость удельной скорости ультрафильтрации творожной сыворотки от продолжительности при различной температуре представлена на рисунке 3.31. Проницаемость керамической мембраны после 60 мин ведения процесса для сыворотки при температуре 45…48 С в 1,7 раза больше, чем при температуре 10…20 С
Следует отметить, что существенное влияние на проницаемость мембраны оказывала тангенциальная скорость разделяемого потока в мембранном канале. Как видно из представленной на рисунке 3.32 зависимости, проницаемость мембраны возрастает вместе с увеличением скорости и достигает максимальных значений при 2,5…3,5 м/с. Можно предположить, что при данных значениях тангенциальной скорости происходило удаление той части белковых отложений, между частицами которых еще не успели образоваться устойчивые связи за счет сил межмолекулярного взаимодействия. Дальней-шее увеличение тангенциальной скорости не приводило к существенному приросту проницаемости мембраны. Более того, это неизбежно приводит к увеличению гидравлических потерь, энергетических затрат на циркуляцию сыворотки в связи с пропорциональным ростом объема образующегося концентрата. Также существует опасность возникновения высоких значений ка-сательных напряжений, приводящих к денатурации белка. Поэтому, исходя из опытных данных и вышеназванных критериев, остановим выбор на вели-чинах тангенциальной скорости, не превышающих 2,5… 3,0 м/с.
На рисунке 3.33 и 3.34 представлены зависимости, из которых следует, что с увеличением концентрации белка в концентрате удельная скорость ультрафильтрации творожной сыворотки уменьшается. Особенно это характерно для высококонцентрированных технологических жидкостей, склонных к гелеобразованию. Характер поведения проницаемости мембраны свидетельствует на то, что с увеличением степени концентрирования существенно уменьшается удельная скорость процесса, особенно в начальной стадии.
Селективность керамической мембраны с увеличением концентрации растворенных веществ несколько снижается, но остается достаточно высокой. Достигнутая селективность мембраны по белку составляла 94...95%. Хорошие показатели по проницаемости мембраны в начальный момент времени, вероятно, вызваны отсутствием и слоя белковых отложений, и пермеа-та в порах. В ходе процесса, значительная часть пор блокируется белковыми отложениями, при достижении концентрации сухих веществ 18...20% и более, поры керамической мембраны практически полностью закупориваются и дальнейшее концентрирование практически сводится к нулю. Исходя из полученных практических данных, концентрирование творожной сыворотки свыше 18...20% является трудозатратным, т.к. неизбежно потребует использование всего комплекса мероприятий по восстановлению пропускной способности мембран, основанных не только на химической мойке, но и сочетании прямых и обратных промывок пермеатом сыворотки примембранной и пермеатной зон мембранного модуля. Вместе с этим, при работе такой установки, существенно возрастут капитальные и эксплуатационные затраты. Для оценки применяемости процесса ультрафильтрации творожной сыворотки на действующем предприятии проводили оценку энергетических затрат и ожидаемого экономического эффекта от использования данного способа (см. приложение 4, 5).
Исследование режимов сбраживания при производстве спирта с использованием воды, обработанной различными методами
Апробирован способ интенсификации процесса ультрафильтрации творожной сыворотки за счет применения прямых промывок со сбросом давления с периодичностью каждые 12 мин, продолжительностью - 30 с;
Определены рациональные технологические параметры процесса ультрафильтрации творожной сыворотки: рабочее давление 0,25...0,3 МПа; тангенциальная скорость разделяемого потока над поверхностью мембраны 2,5...3,0 м/с; температура - не более 40...45 С; степень концентрирования -2,8...3,0.
Ферментный препарат. В результате математического моделирования разработана математическая модель процесса ультрафильтрации, позволяющей рассчитать удельные энергозатраты и технологические параметры обрабатываемой технологической жидкости в зависимости от гидродинамических условий в мембранном модуле и концентрации сухих веществ в исходном растворе; решить задачу по поиску оптимальных режимов работы ультрафильтрационной установки при минимальных энергозатратах на циркуляцию раствора и обеспечении наилучших показателей качества промежуточной продукции. Были получены рациональные границы исследуемых факторов: массовая доля сухих веществ (СВ) в исходном растворе 6,5...7,5 %; актив-ность инулиназы в культуральнои жидкости 37...39 ед./см ; разрешающая способность мембраны 100...230 кДа; расход исходного раствора
Вода технологическая. При организации периодических обратных промывок пермеатом каждые 15 мин в течение 35...40 с достигалось увеличение средней удельной скорости ультрафильтрации в 2,4 раза по сравнению со способом, когда обратные промывки отсутствовали. Продолжительность воздействия прямого и обратного промывочного потоков не должна превышать на практике более 30... 60 с.
Можно показать увеличение проницаемости мембраны при организации промывочных потоков, подаваемых с более высокой скоростью. Однако, увеличивать скорость промывочного потока свыше 3,5 м/с нецелесообразно по причине резкого увеличения расхода пермеата.
Во время микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей на поверхности мембраны происходит образование слоя гелевых отложений, что неизбежно приводит к уменьшению удельной скорости процесса (прони-цаемости мембраны), вплоть до его полной остановки. Для восстановления пропускающей способности мембраны необходимо проводить ее периодическую мойку и регенерацию, что является важной составляющей при осуществлении микро- и ультрафильтрации. Воздействие химической мойки долж-но осуществляться целенаправленно, для восстановления проницаемости, уменьшающейся только в результате закупоривания пор частицами слоя высокой концентрации (не путать с проницаемостью, уменьшающейся в результате необратимой усадки).
Обоснованное использование моющих и дезинфицирующих средств для мойки и регенерации мембран в сочетании с правильно выбранным алгоритмом, повышает эксплуатационный период работы установок, а, следова-тельно, и экономическую составляющую используемого мембранного процесса [18, 20, 101, 102].
Традиционно используют следующие способы регенерации мембран:
1. Противоточная гидравлическая очистка пермеатом. В этом случае, пермеат противотоком подается в пермеатную примембранную зону, из которой проникает в мембранный модуль. Величину рабочего давления в мембранном модуле снижают до минимального значения, при продолжающейся циркуляции пермеата. Рассмотренный вариант регенерации абсолютно неприменим к мембранам с низкой механической прочностью.
2. Реверсивная гидравлическая очистка потоком концентрата за счет периодического изменения направления движения потока исходного раствора вдоль поверхности мембраны. Данный вариант из-за образующихся перепадов давления также малопригоден для мембран с низкой механической прочностью.
3. Механический способ очистки мембран с помощью мягких губчатых тел, вводимых в мембранный канал, которые движутся вдоль мембраны в хаотичном порядке, удаляя, таким образом, с ее поверхности гелевые отложения. Рассмотренный способ применения губчатых тел ограничен размера-ми мембранного канала и типом применяемых мембран.
4. Химический способ очистки мембран периодическим заполнением мембранных каналов реагентами, растворяющими гелевые отложения. Эффективность данного способа определяется видом, концентрацией применяемого реагента, способностью его вступать в химические реакции с материалом мембран, организацией режимов промывки и т.д. Методы химического воздействия на отложения играют главенствующую роль в борьбе с забиванием пористых перегородок. Химические реагенты могут использоваться индивидуально или в сочетании с другими средствами, например, поверхностно-активными веществами. Выделяют следующие классы таких веществ: - кислоты неорганические и органические;