Zagęszczanie Serwatki Metodą Odwróconej Osmozy: Nowoczesne Rozwiązania w Przetwórstwie Mleczarskim
- Szczegóły
W przemyśle mleczarskim procesy membranowe stanowią dzisiaj konieczność. Co więcej, w nowoczesnej mleczarni techniki membranowe nie mogą istnieć samodzielnie jako pojedyncze moduły.
Technologia membranowa zyskała uznanie jako efektywna metoda separacji w ostatniej dekadzie. Działa bez dodatków chemicznych, charakteryzuje się niskim zużyciem energii oraz prostym procesem przewodzenia.
Wiele ostatnich inwestycji w sektorze mleczarskim w kierunku większej cyrkulacji i zrównoważonego rozwoju skutkuje bardziej zrównoważonym zarządzaniem wodą i warunkami sanitarnymi. Poprawa w wydajności użycia wody oraz działania recyklingowe znacznie obniżyły wpływ mleczarstwa na zużycie wody.
Europejski sektor mleczny ustanowił prężną infrastrukturę, która promuje zrównoważone metody produkcji i sprzyja środowiskowej innowacji. W odniesieniu do przetwórstwa, większość zakładów mleczarskich zużywa od 1 do 10 m3 wody na każdy m3 przetworzonego mleka, zgodnie z opublikowanymi wynikami badań naukowych.
Filtracja Membranowa w Przemyśle Mleczarskim
Filtracja membranowa to nowoczesna i powszechnie stosowana metoda separacji na całym świecie, która jest szeroko stosowana w procesach produkcji przemysłowych w różnych branżach - w przemyśle farmaceutycznym, spożywczym, chemicznym oraz biotechnologicznym.
Przeczytaj także: Zastosowanie wężyków do filtra osmozy
Filtracja membranowa (separacja membranowa) opiera się na wykorzystaniu membrany półprzepuszczalnej o porowatej strukturze, na której zachodzi separacja (oddzielenie) medium filtracyjnego (nadawy) na dwa strumienie - permeat oraz retentat.
Kluczowym czynnikiem napędzającym proces filtracji membranowej jest różnica ciśnień po obu stronach przegrody (membrany filtracyjnej), co umożliwia selektywny transport substancji przez membranę.
Jak Działają Filtry Membranowe?
Przepływ medium przez membranę może odbywać się jednokierunkowo (tzw. dead end) lub krzyżowo (tzw. cross flow). Metoda membranowa to skutecznie usuwa cząsteczki większe niż zastosowany typ membrany, np. mikroorganizmy, bakterie, jony dwuwartościowe, itp.
W zależności od konkretnych wymagań procesu produkcyjnego, wykorzystuje się różne procesy filtracji membranowej takie, jak np. mikro-filtracja przemysłowa, ultra-filtracja przemysłowa, nano-filtracja przemysłowa czy odwrócona osmoza, a także różne typy membran, np. membrany ceramiczne czy hollow fibre.
Strumienie Mediów w Procesie Filtracji Membranowej
- Nadawa - to główny strumień medium filtracyjnego, który zostaje poddany filtracji na membranach.
- Permeat - to ciecz, która przeszła przez filtry membranowe. Z tej cieczy zostały odseparowane niepożądane cząstki, większe niż dokładność filtracji membrany. Zazwyczaj permeat gromadzony jest w zbiornikach buforowych lub doprowadzany do dalszych etapów instalacji procesowej celem przeprowadzenia kolejnych procesów jednostkowych. Najczęściej ten strumień jest produktem końcowym procesu technologicznego.
- Retentat - to część nadawy, który stanowi zagęszczoną frakcję odfiltrowanych cząstek, które są większe niż dokładność filtracji membrany. Ten strumień jest recyrkulowany w instalacji i regularnie zasilany świeżym strumieniem nadawy. Dzięki temu ograniczana jest ilość zanieczyszczeń zbierających się na powierzchni membrany filtracyjnej, a tym samym wydłuża się jej czas pracy. Retentat to zazwyczaj strumień odpadowy procesu filtracji przemysłowej.
Rodzaje Filtracji Membranowej
Ze względu na zakres wielkości separowanych cząstek, klasyczną filtrację membranową można podzielić na 3 rodzaje. Wyróżnia się następujące techniki filtracji membranowej:
Przeczytaj także: Analiza dzbanków filtrujących wodę z RO
- Mikrofiltracja przemysłowa
- Ultrafiltracja przemysłowa
- Nanofiltracja przemysłowa
Mikrofiltracja Przemysłowa
Mikrofiltracja przemysłowa stosowana jest w zakresie dokładności filtracji 0,1 - 10 um. Membrany mikrofiltracyjne przepuszczają jony oraz niejonowe związki chemiczne (niektóre witaminy i rozpuszczone białka), pozwalają zaś na oddzielenie koloidów, zawiesin i bakterii.
Proces mikrofiltracji przemysłowej znajduje zastosowanie przede wszystkim w klarowaniu napojów i piwa, w biotechnologii przy sterylizacji pożywek oraz wydzielaniu biomasy. Stosowana jest również jako filtracja sterylna mleka lub solanki.
Ultrafiltracja Przemysłowa
Ultrafiltracja przemysłowa stosowana jest w zakresie dokładności filtracji 0,01 - 0,1 um (10 - 100 nm). Membrany ultrafiltracyjne przepuszczają cząsteczki cukrów, soli, wody, a zatrzymują białka, niektóre wirusy i większe cząstki.
Proces ultrafiltracji przemysłowej znajduje zastosowanie w mleczarstwie (np. przy wydzielaniu białek z mleka i serwatki), przemyśle spożywczym (np. oczyszczanie soków owocowych, piwa, produkcja skrobi), jak również przy oczyszczaniu antybiotyków lub odzyskiwaniu barwników.
Nanofiltracja Przemysłowa
Nanofiltracja przemysłowa stosowana jest w zakresie dokładności filtracji 0,001 - 0,01 um (1 - 10 nm). Membrany nanofiltracyjne pozwalają na praktycznie całkowite usunięcie zanieczyszczeń mikrobiologicznych (mikroorganizmów).
Przeczytaj także: Parametry membran w systemach RO
Nanofiltracja przemysłowa jest stosowana głównie do zagęszczania półproduktów biotechnologicznych, usuwania białek z serwatki, odsalania wody morskiej.
Tabela: Porównanie Rodzajów Filtracji Membranowej
| Rodzaj filtracji membranowej | Zakres wielkości porów | Typowe zastosowania | Ciśnienie robocze |
|---|---|---|---|
| Mikrofiltracja | 0,1 - 10 µm | Klarowanie napojów, piwa, sterylizacja mleka, usuwanie bakterii i zawiesin w przemyśle spożywczym i biotechnologicznym | 0,05 - 0,3 MPa |
| Ultrafiltracja | 0,01 - 0,1 µm | Oczyszczanie soków, piwa, produkcja skrobi, wydzielanie białek z mleka i serwatki, oczyszczanie antybiotyków | do 0,5 MPa |
| Nanofiltracja | 0,001 - 0,01 µm | Zagęszczanie półproduktów biotechnologicznych, usuwanie białek z serwatki, odsalania wody | wyższe ciśnienia |
Odwrócona Osmoza: Zasada Działania i Zastosowanie
W początkach lat 50-tych pracownik naukowy Sourirajan z Uniwersytetu w Kaliforni odkrył nową metodę odsalania wody morskiej poprzez zastosowanie systemu „Odwróconej osmozy”. Ta nowa technika była tak obiecująca, że Rząd Amerykański wspólnie z kilkoma znaczącymi firmami przygotował, szeroki program prac w celu bliższego zbadania w/w metody.
Osmoza naturalna polega na dyfuzji rozpuszczalnika przez błonę półprzepuszczalną rozdzielającą dwa roztwory o różnym stężeniu. Osmoza spontanicznie zachodzi od roztworu o niższym stężeniu substancji rozpuszczonej do roztworu o wyższym, czyli prowadzi do wyrównania stężeń obu roztworów. Ciśnienie zewnętrzne równoważące przepływ osmotyczny określa się mianem ciśnienia osmotycznego, a jego wartość jest charakterystyczna dla danego roztworu.
Proces odwróconej osmozy jest zjawiskiem odwrotnym do spontanicznie zachodzącej osmozy. Polega na wymuszonej dyfuzji dowolnego indywiduum chemicznego (jonów lub cząsteczek) z roztworu o niższym stężeniu do roztworu o wyższym stężeniu przez membranę półprzepuszczalną. Aby mógł zaistnieć przebieg procesu odwróconej osmozy konieczne jest wytworzenie po stronie roztworu ciśnienia hydrostatycznego przewyższającego ciśnienie osmotyczne.
Jest procesem wykorzystywanym do separacji związków małocząsteczkowych takich jak sole nieorganiczne czy małocząsteczkowe związki organiczne od rozpuszczalników. Siłą napędową procesu jak już wcześniej wspomniano jest przyłożone ciśnienie. Konieczne jest stosowanie stosunkowo wysokich ciśnień, wyższych niż w przypadku ultra i mikrofiltracji, ze względu na ciśnienie osmotyczne związków małocząsteczkowych. Zazwyczaj zawiera się w przedziale od 1 do 10 MPa. Mechanizm rozdziału ma charakter dyfuzyjny.
Ciśnienia robocze stosowane w procesie odwróconej osmozy ze względu na wysoką wartość ciśnień osmotycznych rozdzielanych roztworów są wysokie i wynoszą od 1 do 10 MPa.
Po raz pierwszy odwrócona osmoza została wykorzystana w 1953 roku do odsalania wody morskiej. Ogromny rozwój przemysłu wykorzystującego zjawisko odwróconej osmozy nastąpił w latach sześćdziesiątych po opracowaniu przez Loeb’a i Sourirajana technologii wytwarzania na skalę przemysłową wysokowydajnych, selektywnych membran asymetrycznych.
Asymetryczna budowa membran umożliwiła bowiem rozdział składników o małej masie cząsteczkowej (poniżej 300).
Technologia wytwarzania membrany przewiduje trwałe magnetyzowanie jej górnej warstwy za pomocą skomplikowanego technicznie procesu. Przyczynia się to do przyciągania przez membranę wszystkich molekuł wody, które przez nią przechodzą. Molekuły innych substancji, które nie posiadają właściwości magnetycznych wody, są przez membranę odpychane.
Wszystkie szkodliwe substancje są rozdzielane na membranie, strumień wody płynący wewnątrz po powierzchni dystansowej membrany spiralnej kierowany jest do kanalizacji proporcjonalnie do odzysku wody zgodnie z założeniem producenta membran.
Coraz częściej odwróconą osmozę stosuje się do odzysku wody słodkiej poprzez zatężanie roztworów brudnej wody aby odzyskać wodę czystą. Odwrócona osmoza jest jak na razie jedynym najtańszym systemem separacji wody słodkiej z zasolonej.
Zastosowanie Mikrofiltracji w Usuwaniu Bakterii
Celem tego procesu jest fizyczne usunięcie bakterii i przetwalników z mleka lub serwatki, bez zmiany składu chemicznego produktów. Proces mikrofiltracji w tym przypadku prowadzi się na mleku odtłuszczonym ze względu na możliwość zarastania (blokowania) membran przez kuleczki tłuszczowe, których średnica jest zbliżona do bakterii i przetrwalników zatrzymywanych przez membranę.
Dodatkowo, problem blokowania membran został zminimalizowany dzięki zastosowaniu membran ceramicznych o właściwej średnicy porów (najczęściej 1,4 μm). Membrany te określane mianem membran trzeciej generacji umożliwiają prowadzenie procesu przy wysokich prędkości przepływu i niskim ciśnieniu transmembranowym.
Do usuwania bakterii na skalę przemysłową obecnie stosuje się procesy: Tetra Alcross Bactocatch i Tetra Therm ESL.
Zastosowanie MF do usuwania bakterii pozwala na wydłużenie terminu przydatności mleka (16-21 dni) w porównaniu z mlekiem pasteryzowanym (6-8 dni), przy jednoczesnym uniknięciu posmaku gotowania, jak to ma miejsce w przypadku obróbki UHT.
tags: #zagęszczanie #serwatki #odwrócona #osmoza #proces
