Тетра Пак. Технология производства молока

Подождите немного. Документ загружается.

Декантаторная центрифуга – это машина, предназначенная для непрерывного осаждения взвешенных в

жидкости твердых частиц под действием центробежной силы в горизонтально расположенном, удлиненном,

вращающемся барабане.

Принцип работы декантаторной центрифуги

Исходная суспензия подается через впускную трубу на конвейер, где она ускоряется и направляется

внутрь вращающегося ротора (рис. 6.2.46).

Твердые фракции, удельный вес которых превосходит удельный вес жидкости, оседают на внутренней

стенке барабана практически мгновенно благодаря мощному центробежному ускорению (обычно в пределах

2000–4000 g), оставляя внутри чистое кольцо жидкости.

Выведение твердых фракций

Твердый осадок транспортируется вдоль оси центрифуги в направлении сужающейся конической части

ротора шнековым конвейером, который отрегулирован на скорость вращения, несколько отличную от скорости

вращения барабана. По пути к выгрузным отверстиям твердые фракции поднимаются шнеками из жидкости на

сухие края, откуда остатки жидкости стекают вниз, возвращаясь в жидкую фракцию. Осушенные твердые

фракции выбрасываются из барабана через отверстия выгрузки в сборную камеру сосуда, в который заключен

барабан. Далее твердый осадок под действием собственной тяжести высыпается из агрегата через выводную

воронку.

Вывод жидкости (самотеком)

Жидкая фракция, образовавшая полый цилиндр под действием центробежной силы, течет по винтовому

каналу между шнеками конвейера из конической в цилиндрическую часть ротора. Там жидкость перетекает

через регулируемые водосливы и оказывается в центральной камере сборного сосуда, из которой уходит

самотеком.

Вывод жидкости (под давлением)

Некоторые декантаторные центрифуги оборудованы напорными дисками (поз. 4 на рис. 6.2.46) для

удаления жидкой фракции под давлением. Жидкость, переливающаяся через водосливы, попадает в напорную

камеру, где ей снова придается форма полого вращающегося цилиндра. Каналы неподвижного напорного диска

погружены во вращающуюся жидкость, что создает перепад давлений. Жидкость направляется вниз по каналам,

преобразовывая энергию вращения в напор, достаточный для переключения жидкости из установкина

дальнейшую переработку.

Непрерывный процесс

В декантаторной центрифуге все три этапа – приток, осаждение и раздельный вывод жидкой и твердой

фракций – объединены в один непрерывный процесс. Внутренние стенки секций корпуса обычно снабжены

ребрами или пазами для удержания твердого осадка от соскальзывания во время вращения конвейера.

Коническая секция заканчивается цилиндрическим выступом с одним или двумя рядами выгрузных

отверстий (в зависимости от типа машины). Во избежание истирания эти отверстия в большинстве случаев

оснащены сменными подшипниками из стеллита или керамических материалов.

Цилиндрическая часть заканчивается наконечником с четырьмя (или более) переливными отверстиями,

определяющими радиальный уровень жидкости в роторе. Этот уровень можно легко изменить регулировкой

водосливных колец. В тех случаях, когда очищенная жидкая фракция удаляется с помощью напорного диска (4),

регулируемые водосливы выводятся в сборную камеру.

Ротор приводится в движение электродвигателем через клиноременную передачу.

Основные узлы

Основными узлами декантаторной центрифуги являются барабан, конвейер и редуктор (вместе

составляющие ротор), а также рама с кожухом, сборные сосуды, приводной двигатель и ременная передача.

Барабан

Обычно барабан состоит из одной конической секции и одной или нескольких цилиндрических секций,

соединенных с помощью фланцев. Цилиндрическая часть служит резервуаром для жидкой фракции в

конической – собирается твердая фракция.

Шнековый конвейер

Шнековый конвейер подвешен в барабане на подшипниках и, вращаясь медленнее или быстрее, чем

барабан, проталкивает осадок к местам его выгрузки в конической секции центрифуги. Конфигурация шнеков

конвейера различается в зависимости от назначения. Шаг конвейера (расстояние между шнеками) может быть

большим или малым, и шнеки могут быть перпендикулярны оси вращения или перпендикулярны по отношению

к конической части барабана. Большинство моделей оборудовано одношнековыми конвейерами, но у некоторых

– двойные шнеки.

Редуктор

Назначение редуктора – обеспечить эффект скручивания за счет разности скоростей вращения барабана

и конвейера. Он закреплен на пустотелом валу барабана и приводит во вращение шнековый конвейер через

соосный шлицевый вал. Из противоположного конца редуктора выступает насадка на его центральный вал. Эта

насадка может приводиться в движение вспомогательным двигателем, позволяющим поддерживать иную, чем у

барабана, скорость вращения конвейера. Редуктор может быть планетарного или циклоидального типа. Первый

обеспечивает отрицательную скорость перемещения (конвейер вращается медленнее, чем барабан), а второй,

оснащенный валом эксцентрика, обеспечивает положительную скорость перемещения.

Рама и корпус

Существуют различные конструкции рам и корпусов, но в принципе рама – это жесткая конструкция из

мягкой стали, несущая части ротора и опирающаяся на виброизоляторы. Корпус представляет собой сварную

конструкцию из нержавеющей стали с навесным кожухом, в котором заключен барабан. Он разделен на отсеки

для сбора и удаления разделенных твердой и жидкой фракций.

Жидкость может выводиться либо самотеком, либо под давлением с помощью напорного диска (поз. 4

на рис. 6.2.46). Твердый осадок сбрасывается под действием собственного веса (при необходимости этому

помогает вибратор) в сборную емкость либо на транспортную конвейерную ленту.

Гомогенизаторы

Технология разрушения жировых шариков

Гомогенизация стала стандартным производственным процессом, повсеместно практикуемым в

качестве средства удерживания жировой эмульсии от разделения под действием силы тяжести. Голен (Gaulin),

который разработал этот процесс в 1899 г., дал ему следующее определение на французском языке: “Fixer la

composition des liquides”.

Сначала гомогенизация приводит к расщеплению жировых шариков на гораздо более мелкие (см. рис.

6.3.1). В результате уменьшается образование сливок и может также быть снижена тенденция шариков к

слипанию или образованию крупных агломератов. В основном гомогенизированное молоко производится

механическим способом. Оно на высокой скорости прогоняется сквозь узкий канал.

Разрушение жировых шариков достигается сочетанием таких факторов, как турбулентность и

кавитация. В результате диаметр шариков уменьшается до 1 мкм, и это сопровождается четырех-шестикратным

увеличением площади промежуточной поверхности между жиром и плазмой. В результате перераспределения

оболочечного вещества, полностью покрывавшего жировые шарики до их разрушения, вновь образованные

шарики имеют недостаточно прочные и толстые оболочки. В состав этих оболочек также входят

адсорбированные белки плазмы молока. Фокс вместе со своими коллегами *исследовал жиропротеиновый

комплекс, полученный в результате гомогенизации молока. Он доказал, что казеин является протеиновым

слагаемым комплекса и что он, возможно, связан с жировой фракцией через полярные силы притяжения. Он

также установил, что казеиновые мицеллы активизируются в момент прохождения сквозь клапан

гомогенизатора, вызывая предрасположенность к взаимодействию с жировой фазой.

Требования к процессу

Физическое состояние и концентрация жировой фракции во время гомогенизации влияют на размеры

жировых шариков. Гомогенизация холодного молока, в котором жир в основном присутствует в затвердевшем

состоянии, практически неосуществима. Обработка молока при температуре 30–35°С приводит к неполной

дисперсии жировой фракции. Гомогенизация по-настоящему эффективна, когда вся жировая фаза находится в

жидком состоянии, причем в концентрациях, нормальных для молока. Продукты с повышенной массовой долей

жира имеют тенденцию к образованию крупных скоплений жировых шариков, особенно при низкой

концентрации протеинов сыворотки на фоне высокого содержания жира. Сливки с жирностью выше 12% не

могут быть успешно гомогенизированы при стандартном повышенном давлении, потому что из-за недостатка

мембранного материала (казеина) шарики жира слипаются в гроздья. Для достаточно эффективной

гомогенизации на один грамм жира должно приходиться 0,2 грамма казеина.

Процессы гомогенизации, проводящиеся под высоким давлением, приводят к образованию маленьких

жировых шариков. С ростом температуры гомогенизации возрастает дисперсность жировой фазы – соразмерно

с уменьшением вязкости молока при повышенных температурах.

Обычно гомогенизацию проводят при температуре от 55 до 80°С, под давлением от 10 до 25 МПа (100–

250 бар), в зависимости от типа обрабатываемого продукта.

Характеристики потока

При прохождении потока по узкому каналу его скорость возрастает.

Скорость будет расти до тех пор, пока статическое давление не снизится до такого уровня, при котором

жидкость закипает. Максимальная скорость главным образом зависит от давления на входе. Когда жидкость

покидает щель, скорость снижается, а давление начинает расти. Кипение жидкости прекращается, и паровые

пузырьки взрываются.

Теории гомогенизации

За годы применения процесса гомогенизации возникло много теорий, объясняющих механизм

гомогенизации при высоком давлении. Две теории, объяснящие дисперсную систему нефть – вода по аналогии с

молоком, где диаметр большинства капель составляет меньше 1 мкм, не устарели до настоящего момента.

Они дают объяснение влияния различных параметров на эффективность гомогенизации.

Теория разрушения шариков турбулентными водоворотами (“микровихрями”) основана на том, что в

жидкости, движущейся с высокой скоростью, возникает большое количество турбулентных микропотоков.

Если турбулентный микропоток сталкивается с соразмерной ему каплей, последняя разрушается.

Данная теория позволяет предвидеть изменения результатов гомогенизации при изменении применяемого

давления. Эта связь была обнаружена во многих исследованиях. С другой стороны, теория кавитации гласит,

что капельки жира разрушаются ударными волнами, возникающими при взрывах паровых пузырьков. Согласно

этой теории, гомогенизация происходит при покидании жидкостью щели. Таким образом, противодавление,

необходимое для кавитации, имеет в этом случае большую значимость. Это было подтверждено на практике.

Однако гомогенизация возможна и без кавитации, но в таком случае она менее эффективна.

Одноступенчатая и двухступенчатая гомогенизация

Гомогенизаторы могут быть оснащены одной гомогенизирующей головкой или двумя, последовательно

соединенными. Отсюда название: одноступенчатая гомогенизация и двухступенчатая гомогенизация. Обе

системы показаны на рис. 6.3.5 и 6.3.6.

При одноступенчатой гомогенизации весь перепад давления используется в единственной ступени. При

двухступенчатой гомогенизации суммарное давление замеряется перед первой ступенью Р1, и перед второй

ступенью Р2.

Для достижения оптимальной эффективности гомогенизации обычно используется двухступенчатый

вариант. Но желаемые результаты удается получить, если соотношение Р2 : Р1 равняется примерно 0,2.

Одноступенчатый вариант используется для гомогенизации

– продукции с низкой жирностью,

– продукции, требующей высокой вязкости (образования определенных агломератов).

Двухступенчатая гомогенизация используется прежде всего для разрушения скоплений жировых

шариков:

– в продуктах с высоким содержанием жира

– в продуктах с высоким содержанием сухих веществ

– в продуктах, для которых требуется низкая вязкость

– для достижения максимальной эффективности гомогенизации (микронизации).

Влияние гомогенизации на структуру и свойства

молока

Эффект гомогенизации оказываетположительное воздействие на физическую структуру и свойства

молока и проявляется в следующем:

• Уменьшение размеров жировых шариков, что предотвращает отстой сливок

• Более белый и аппетитный цвет

• Повышенная сопротивляемость окислению жира

• Улучшенные аромат и вкус

• Повышенная сохранность кисломолочных продуктов, изготовленных из гомогенизированного молока.

Однако гомогенизации свойственны и определенные недостатки. В их числе:

• Невозможность сепарирования гомогенизированного молока

• Несколько повышенная чувствительность к воздействию света – как солнечного, так и от

люминесцентных ламп – может привести к возникновению так называемого солнечного привкуса (см. также

главу 8 “Пастеризованные молочные подукты”)

• Пониженная термоустойчивость – особенно выражена при испытании первой ступени гомогенизации,

гомогенизации обезжиренного молока и в других случаях, способствующих образованию скоплений жировых

шариков

• Непригодность молока для производства полутвердых и твердых сыров, так как сгусток будет плохо

отделять сыворотку.

Гомогенизатор

Для обеспечения максимальной эффективности гомогенизации обычно требуются гомогенизаторы

высокого давления.

Продукт поступает в насосный блок, где его давление повышается поршневым насосом. Уровень

возникшего давления зависит от противодавления, определяемого расстоянием между поршнем и седлом в

гомогенизирующей головке. Давление Р1 всегда означает давление гомогенизации. Р2 – это противодавление

первой ступени гомогенизации или давление на входе во вторую ступень.

Насос высокого давления

Поршневой насос приводится в движение мощным электродвигателем (поз.1 на рис. 6.3.4) через

коленчатый вал и шатуны – эта передача преобразует вращение двигателя в возвратно-поступательное

движение поршней насоса.

Поршни (поз. 5) перемещаются в блоке цилиндров высокого давления. Они изготовлены из

высокопрочного материала. Поршни оснащены двойными уплотнениями. В пространство между уплотнениями

подается вода для охлаждения поршней. Тудаже может подаваться горячий конденсат для предотвращения

повторного обсеменения микроорганизмами продукта при работе гомогенизатора.

Также возможно использование горячего конденсата для сохранения условий асептического

производства продукта при работе гомогенизатора.

Гомогенизирующая головка

На рис. 6.3.5 и 6.3.6 показаны гомогенизирующая головка и ее гидравлическая система. Поршневой

насос поднимает давление молока с 300 кПа (3 бара) на входе до давления гомогенизации 10–15 МПа (100–240

бар), в зависимости от вида продукции.

Давление на входе в первую ступень перед механизмом (давление гомогенизации) автоматически

поддерживается неизменным.

Давление масла на гидравлический поршень и давление гомогенизации на клапан уравновешивают друг

друга. Гомогенизатор оборудован одним общим масляным баком, независимо от того, одноступенчатый это

вариант или двухступенчатый. Однако в двухступенчатом гомогенизаторе есть две гидросистемы, и у каждой

свой насос. Новое давление гомогенизации устанавливается изменением давления масла. Давление

гомогенизации указывается на манометре высокого давления.

Процесс гомогенизации происходит на первой ступени. Вторая главным образом служит двум целям:

• Созданию постоянного и управляемого противодавления в направлении первой ступени, обеспечивая

тем самым оптимальные условия гомогенизации

• Разрушению слипшихся гроздьев жировых шариков, образующихся сразу после гомогенизации (см.

рис. 6.3.3).

Детали гомогенизирующей головки обработаны на прецизионном шлифовальном станке. Ударное

кольцо посажено на свое место таким образом, что его внутренняя поверхность перпендикулярна выходу из

щели. Седло скошено под углом 5 градусов, чтобы продукт получал контролируемое ускорение, предотвращая

таким образом ускоренный износ, неизбежный в ином случае.

Молоко под высоким давлением проникает между седлом и клапаном. Ширина щели составляет

примерно 0,1 мм, что в 100 раз превышает диаметр жировых шариков в гомогенизированном молоке. Скорость

прохождения жидкости сквозь узкий кольцевой зазор обычно находится в пределах 100–400 м/с, и ее

гомогенизация происходит за 10–15 микросекунд. За это время вся энергия давления, произведенного

поршневым насосом, преобразуется в кинетическую энергию. Часть этой энергии после прохождения через

механизм снова преобразуется в давление. Другая часть высвобождается в виде тепла; каждые 40 бар падения

давления после прохождения через механизм поднимают температуру на 1°С.

Обратите внимание, что давление гомогенизации – это давление перед первой ступенью, а не перепад

давлений.

На гомогенизацию затрачивается менее 1% всей этой энергии, и все же гомогенизация с помощью

высокого давления пока остается наиболее эффективным методом из всех имеющихся на сегодняшний день.

Эффективность гомогенизации

Цель гомогенизации зависит от способа ее применения. Соответственно меняются и методы оценки

эффективности.

В соответствии с законом Стокса, растущая скорость частицы определяется по следующей формуле,

где:

v – скорость

g – ускорение свободного падения

p – размер частицы

ηhp – плотность жидкости

ηlp – плотность частицы

t – вязкость

p2 x (ηhp – ηlp) 18 x t v = x g

Или v = константа х p2

Из формулы следует, что уменьшение размера частицы является эффективным способом уменьшения

возрастания скорости. Следовательно, уменьшение размера частиц в молоке приводит к замедлению скорости

отстаивания сливок.

Аналитические методы

Аналитические методы определения эффективности гомогенизации можно разделить на две группы:

I. Определение скорости отстаивания сливок

Самый старый способ определения времени отстаивания сливок – это взять образец, выдержать его

определенное время и затем проанализировать содержание жира в различных его слоях. На этом принципе

построен метод USPH. Например, образец объемом в один литр выдерживается 48 часов, после чего

определяется содержание жира в верхнем слое (100 мл), а также и во всем остальном молоке. Гомогенизация

считается удовлетворительной, если массовой доли жира в нижнем слое в 0,9 раза меньше, чем в верхнем слое.

На этом же принципе построен метод NIZO. В соответствии с этим методом образец объемом, скажем,

в 25 мл подвергается центрифугированию в течение 30 минут на скорости 1000 об/мин при температуре 40°С и

радиусе 250 мм. После этого жирность 20 мл нижнего слоя делится на жирность всего образца и полученный

результат умножается на 100. Это соотношение называется значением NIZO. Для пастеризованного молока оно

обычно составляет 50–80%.

II. Фракционный анализ

Распределение размеров частиц или капель в образце можно определить хорошо разработанным

методом с применением установки лазерной дифракции (см. рис. 6.3.7), которая посылает лазерный луч в

образец, находящийся в кювете. Степень рассеивания света будет находиться в зависимости от размеров и

количества частиц, содержащихся в исследуемом молоке.

Результат приведен в виде графиков гранулометрического состава. Процент массовой доли жира

представлен как функция размера частицы (размер жирового шарика). На рис. 6.3.8 показаны три типовых

графика распределения размеров жировых шариков. Обратите внимание на то, что при повышении давления

гомогенизации график смещается влево.

Расход энергии и его влияние на температуру

Подводимая электрическая мощность, необходимая для гомогенизации, выражается следующей

формулой:

Пример:

Е – потребляемая энергия

вх

– пропускная способность, л/ч 18 000 л/ч

– давление гомогенизации, бар 20 МПа (200 бар)

вх

– давление насоса, бар 200 кПа (2 бара)

– кпд насоса 0,85

дв

– кпд электродвигателя 0,95

При условиях, приведенных сверху справа, необходимая электрическая мощность составит 123 кВт.

Как уже было отмечено, часть вырабатываемой энергии давления преобразуется в тепло. Если

температура поступающего молока – Твх, давление гомогенизации – Р1, давление после гомогенизации – Pвых,

и если каждое снижение давления на 4 МПа (40 бар) повышает температуру на один градус, можно применить

следующую формулу:

Гомогенизатор в технологической линии

Обычно гомогенизатор устанавливается в начале линии, то есть до секции окончательного нагрева в

теплообменнике. В большинстве пастеризационных установок по производству питьевого молока для

потребительского рынка гомогенизатор стоит после первой регенеративной секции.

При производстве стерилизованного молока гомогенизатор обычно помещается в начале процесса

высокотемпературной обработки, протекающей в системе с косвенным нагревом продукта, и всегда в конце

процесса, проходящего в системе с прямым нагревом продукта, т.е. в асептической части установки после

участка стерилизации продукта. В таком случае используется асептический вариант гомогенизатора,

оснащенный специальными поршневыми уплотнениями, прокладками, стерильным конденсатором и

специальными асептическими демпферами.

Асептический гомогенизатор устанавливается после секции стерилизации установок с прямым

обогревом продукта в случаях производства молочных продуктов с массовой долей жира более 6–10% и/или с

повышенным содержанием белка. Дело в том, что при очень высоких температурах обработки в молоке с

высоким содержанием жира и/или протеинов образуются скопления жировых шариков и мицелл казеина.

Расположенный после секции стерилизации асептический гомогенизатор разрушает эти агломерированные

частицы.

Полная гомогенизация

Полная гомогенизация – наиболее распространенный способ гомогенизации питьевого молока и

молока, предназначенного для производства кисломолочных продуктов. Жирность молока, а иногда и

содержание сухого обезжиренного остатка (при производстве йогурта, например) нормализуются до

гомогенизации.

Раздельная гомогенизация

Раздельная гомогенизация означает, что основная часть обезжиренного молока ей не подвергается.

Гомогенизируются сливки и небольшое количество обезжиренного молока. Этот способ гомогенизации

обычно используется для пастеризованного питьевого молока. Основное достоинство раздельной

гомогенизации – ее относительная экономичность. Общий расход энергии снижается примерно до 65%

вследствие меньшего количества молока, проходящего через гомогенизатор.

Поскольку наибольшая эффективность гомогенизации может быть достигнута в случае, если в молоке

содержится не менее 0,2 г казеина на 1 г жира, рекомендуемая максимальная жирность составляет 12%.

Часовая производительность установки, в которой проводится раздельная гомогенизация, может быть

определена по далее приведенной формуле.

Сырое молоко с массовой долей жира 4%

Сливки с массовой долей жира 35%

Обезжиренное молоко с массовой долей жира 0,05%

Сливки с жирностью 10%

Нормализованное молоко с массовой долей жира 3%

Хладагент

Теплоноситель

1. Qsm = Qp × (fcs – frm) fcs – fsm

Qh = Qsm × fsm fch

2. Формулы расчета: Пример:

= производительность установки, л/ч 10 000

= производство нормализованного молока, л/ч

= производительность гомогенизатора, л/ч

= жирность цельного молока, % 4%

= жирность нормализованного молока, % 3%

= жирность сливок на выходе из сепаратора, % 35%

= жирность сливок, подготовленных для гомогенизации, % 10%

Производство пастеризованного нормализованного молока (Qsm) в час составит приблизительно 9690

л. Если мы подставим эту цифру в формулу 2, то получим, что часовая производительность гомогенизатора

равняется примерно 2900 л, то есть около трети его полной производительности.

Схема потоков в установке для частично гомогенизированного молока приведена на рис. 6.3.10.

Влияние гомогенизированных молочных продуктов

на организм человека

В начале 1970-х годов американский ученый К. Остер (K. Oster) выступил с гипотезой о том, что

гомогенизация молока позволяет ферменту ксантиноксидаза проникать через кишечник в кровеносную систему.

(Оксидаза – это фермент, который катализирует присоединение кислорода к субстрату веществаили отщепление

от него водорода.) По утверждению Остера, оксидаза ксантина способствует процессу повреждения

кровеносных сосудов и ведет к атеросклерозу.

Эта гипотеза была отвергнута учеными на том основании, что человеческий организм сам вырабатывает

в тысячи раз большие количества этого фермента, чем теоретически могло бы привнести в него

гомогенизированное молоко.

Итак, никакого вреда от гомогенизации молока быть не может. С точки зрения питательности

гомогенизация никаких особых изменений не привносит, за исключением, пожалуй, того, что в

гомогенизированных продуктах жир и протеин расщепляются быстрее и легче.

Тем не менее Остер прав в том, что процессы окисления могут приносить вред человеческому

организму и что диета важна для здоровья.

Мембранные фильтры

Мембранная технология – это испытанный метод разделения, осуществляемого на молекулярном

и ионном уровнях. За тридцать лет, прошедших с начала 70-х годов, эта технология была адаптирована

применительно для молочной промышленности.

Определения

Объяснения некоторых часто употребляемых терминов:

Загрузка (исходный продукт) – раствор, предназначенный для концентрирования или разделения.

Интенсивность потока – скорость получения отфильтрованной через мембрану жидкости, измеряемая

в литрах на квадратный метр поверхности мембраны в час (л/м2/ч).

Загрязнение мембраны – осаждение твердых фракций на поверхности, которые нельзя удалить в

процессе обработки.

Фильтрат (пермеат) – жидкость, прошедшая через мембрану.

Концентрат (ретентат) – жидкость, не прошедшая сквозь мембрану.

Коэффициент концентрации – уменьшение объема путем концентрации,т.е. отношение

первоначального объема исходного продукта к конечному объему концентрата.

Диафильтрация – модификация ультрафильтрации, при которой к загружаемой жидкости добавляется

вода для вымывания компонентов, которые проникнут через мембраны (в основном это лактоза и минеральные

вещества).

Мембранная технология

В молочной промышленности мембранная технология главным образом ассоциируется соследующими

технологическими процессами:

• Обратный осмос (ОО) – концентрирование растворов посредством удаления воды

• Нанофильтрация (НФ) – концентрация органических компонентов посредством удаления части

моновалентных ионов, например, натрия и хлора (частичная деминерализация)

• Ультрафильтрация (УФ) – концентрация крупных молекул и макромолекул

• Микрофильтрация (МФ) – удаление бактерий разделением макромолекул

О диапазоне применения процессов мембранного разделения дает представление рис. 6.4.1.

Во всех вышеназванных методах используется поперечная мембранная фильтрация потока, при которой

загружаемый раствор пропускается сквозь мембрану под давлением.

Раствор проходит через мембрану, а твердая фракция (ретентат) задерживается, в то время как фильтрат

(пермеат) удаляется. Мембраны классифицируются по предельному молекулярному весу пропускаемого

вещества, то есть по молекулярному весу самой маленькой молекулы, которая не проникнет сквозь мембрану.

Однако подбор мембраны осуществляется не только на основе этой ее характеристики.

Размер частиц, мкм 0,0001 0,001 0,01 0,1 1,0 10 100

Молекулярный вес, D 100 1 000 10 000 100 000 500 000

Характеристика частицы Ионная Молекулярная Макромолекулярная Клеточная +

микрокорпускулярная

Ионы Сывороточные белки Жировые шарики Дрожжи, плесень

Соли Казеиновые мицеллы Бактерии

Лактоза/производные Витамины Агрегированные сывороточные белки, сырные частицы

ОО УФ Традиционная фильтрация

НФ МФ

Здесь следует отметить, что традиционная (общепринятая) фильтрация используется, как правило, для

отделения взвешенных частиц крупнее 10 мкм, в то время как мембранная фильтрация отделяет частицы

молекулярных размеров – меньше 10–4 мкм.

Назовем здесь некоторые из различий между двумя упомянутыми видами фильтрации.

• Применяемые фильтрующие средства:

Традиционные фильтры имеют большую толщину и открытую конструкцию. Материал – обычная

бумага

Мембранные фильтры тонкие с возможностью контроля размером пор. Материал: полимеры или

керамика, а также реже применяемый в настоящее время ацетат целлюлозы

• При традиционной фильтрации основным фактором, влияющим на отделение частиц, является сила

тяжести. Давление применяется лишь с целью ускорения процесса. Поток разделяемой жидкости поступает

перпендикулярно материалу фильтра. Фильтрацию можно проводить в открытых системах.

Основы мембранного разделения

Методы мембранного разделения в молочной промышленности предназначены для выполнения

различных задач:

• ОО – применяется для дегидратации сыворотки, фильтрата УФ и конденсата УФ

• НФ – применяется, когда требуется частичное обессоливание сыворотки, фильтрата УФ или

концентрата УФ

• УФ – обычно применяется для концентрации молочных протеинов в молоке и сыворотке и для

нормализации по содержанию белка при производстве сыров, йогуртов и некоторых других продуктов

• МФ– в основном применяется для уменьшения количества бактерий в обезжиренном молоке,

сыворотке и рассоле, а также для обезжиривания сыворотки, предназначенной для приготовления концентрата

сывороточного белка (КСБ) и для фракционирования белков.

Фильтрационные модули

Фильтрационные модули, применяемые при мембранной фильтрации, могут различаться по

конструкции, а именно:

Конструкция Типичное применение

Спиральная ОО, НФ, УФ

Пластинчато-рамная УФ, ОО

Трубчатая, основанная на полимерах УФ, ОО

Трубчатая, основанная на керамике МФ, УФ

Полое волокно УФ

Пластинчато-рамная конструкция

Эти системы состоят из мембран, закрепленных между пластинами, собранными в пакеты, подобно

тому, как это сделано в обычных теплообменниках пластинчатого типа. Загружаемый материал прогоняется

через очень узкие каналы, которые могут быть организованы под параллельные потоки или под

перемежающиеся параллельные и последовательные потоки. Типовое устройство показано на рис. 6.4.4.

Обычно модуль поделен на отсеки, в каждом из которых поток движется параллельно между парами

мембран. Отсеки отделены специальной опорной пластиной, в которой одно отверстие закрыто запорным

диском, направляющим поток в противоположную сторону и обеспечивающим его последовательное

продвижение по секторам. Существуют модули различных размеров.

Обычно мембраны изготавливают из полимеров.

Трубчатая конструкция – полимеры

Типовым примером трубчатых систем, применяемых в молочной промышленности, является система,

разработанная компанией Paterson and Candy International Ltd. (PCI).

На рис. 6.4.5 показан предназначенный для ультрафильтрации модуль фирмы PCI. В этот модуль входят

перфорированные трубы размером 18 х 12,5 мм. Все 18 труб последовательно соединены и заключены в общий

корпус. Внутри каждой перфорированной трубы, выполненной из нержавеющей стали и выдерживающей

необходимое давление, находится сменная трубчатая вставка- мембрана. Фильтрат скапливается снаружи пучка

труб – в кожухе из нержавеющей стали. Модуль может быть легко переоборудован для работы в режиме ОО из

режима УФ.

Трубчатая конструкция – керамика

В молочной промышленности постепенно завоевывает позиции трубчатый вариант с керамическими

мембранами, особенно в системах, предназначенных для уменьшения количества бактерий в молоке, сыворотке,

концентрате сывороточного белка и рассоле.

Фильтрующий элемент, показанный на рис. 6.4.6, изготовлен из керамического материала французской

фирмой SCT (Societe des Ceramiques Techniques/ Ceraver).

Тонкие стенки каналов выполнены из мелкозернистой керамики и представляют собой мембрану.

Опорный материал – крупнозернистая керамика. При микрофильтрации с целью удаления бактерий в систему

подается обезжиренное молоко (или цельное молоко для концентрирования жира, но это нежелательно в случае

снижения содержания микроорганизмов).

Большая часть подаваемого в систему продукта (около 95%) проникает через мембрану, как фильтрат,

являясь в данном случае обезжиренным и освобожденным от большей части бактерий молоком. А оставшийся

ретентат (5%) – это “насыщенное” бактериями обезжиренное молоко. Фильтрующие элементы (1, 7 или 19

параллельно собранных элементов) смонтированы в одном модуле. На рис. 6.4.7 показан такой модуль с 19

фильтрующими элементами, каждый из которых открыт с левой стороны модуля. Для производственных целей

последовательно соединяются два модуля, образуя фильтрующую систему с одним насосом для циркуляции

концентрата и одним – для циркуляции фильтрата (см. рис. 6.4.10).

Промышленный контур мембранной фильтрации состоит из:

– двух последовательно соединенных фильтрующих модулей

– одного циркуляционного насоса для концентрата

– одного циркуляционного насоса для фильтрата

В зависимости от производственной необходимости могут параллельно устанавливаться несколько

фильтрующих систем.

Жидкость на высокой скорости закачивается в модули снизу. Очень высокое трансмембранное

давление (ТМД) на входе быстро приводит к закупорке мембраны.

Опыт свидетельствует о том, что низкое трансмембранное давление приводит к гораздо лучшим

результатам, но при обычной поперечно-поточной микрофильтрации низкое трансмембранное давление бывает

только на выходе, то есть на очень незначительной части площади мембраны.

Для достижения оптимальных условий по всей площади мембраны была внедрена уникальная Система

равномерного трансмембранного давления (СРТД), показанная на рис. 6.4.9. Эта запатентованная система

обеспечивает высокоскоростную циркуляцию фильтрата одновременно с концентратом внутри модуля, но вне

элемента. Это обеспечивает равномерное трансмембранное давление на всей площади мембраны и, таким

образом, ее оптимальное использование.

Применение данной системы позволяет достичь наилучшего результата, так как пространство между

элементами внутри модуля, т.е. со стороны фильтрата, обычно пустует, а в СРТД оно заполнено пластмассовым

зерном. Высокоскоростная циркуляция фильтрата приводит к падению давления внутри каналов. Снижение

давления со стороны фильтрата регулируется фильтратным насосом и остается постоянным на протяжении всей

работы установки.

Спиральная конструкция

Поскольку спиральная конструкция отличается от всех остальных вариантов мембранной фильтрации,

применяемых в молочной промышленности, она требует более детального рассмотрения. Спиральный элемент

состоит из одного или более мембранных “конвертов”, в каждый из которых входят два слоя мембраны,

разделенных пористым материалом, способным пропускать фильтрат. Этот материал, являющийся прокладкой

канала фильтрата, позволяет свободно течь фильтрату, просочившемуся сквозь мембрану. Два слоя мембраны,

между которыми находится прокладка канала, герметизированы с двух краев и с одного конца и образуют таким

образом мембранный “конверт”. Открытый конец конверта герметично присоединен к перфорированной трубе

для сбора фильтрата.

Рис. 6.4.11 Формирование “конверта” в спиральной конструкции.

Внешний вид “конверта” показан на рис. 6.4.11.

Пластмассовый сетчатый материал, служащий прокладкой в канале для потока, прокачиваемого сквозь

систему раствора, помещается вплотную к одной из сторон каждого мембранного конверта.

Благодаря сетчатому устройству прокладки также выступают в качестве генераторов турбулентности,

необходимой для сохранения мембраны в чистом виде при относительно низких скоростях.

Затем весь узел навинчивается на перфорированную трубу для сбора фильтрата с целью формирования

спиральной мембраны.

Спиральные мембраны оборудованы противосдвиговым

Рис. 6.4.12 Спиральная мембрана с противосдвиговым устройством.

устройством, расположенным между нижними концами элементов мембраны с целью не допустить

выскальзывания слоев под воздействием напора обрабатываемой жидкости. На рис. 6.4.12 показан спиральный

узел с противосдвиговым устройством. Внутри одной стальной трубы соединяются последовательно несколько

элементов (обычно три), как показано на рис. 6.4.13. И мембрана, и прокладка для фильтрата изготавливаются

из полимерных материалов.

Конструкция с полым волокном

Модули полого волокна представляют собой патроны, содержащие пучки элементов из полого волокна

– от 45 до 3000 шт. в каждом патроне. Волокна уложены параллельно друг другу, их концы зафиксированы в

полимерном материале и помещены в сборную трубу для фильтрата, изготовленную из эпоксидной смолы.

Внутренний диаметр мембраны может быть от 0,5 до 2,7 мм, а активная поверхность мембраны

находится на внутренней стороне полого волокна. Наружная сторона полого волокна, в отличие от внутренней,

имеет грубую структуру и служит в качестве опоры.

Поток обрабатываемой жидкости движется внутри этих волокон, а фильтрат собирается снаружи и

удаляется через верхний отдел трубы.

Специфическое свойство этой конструкции – в ее способности самопромывки противотоком, что

используется для очистки системы направленным в обратную сторону фильтратом для удаления осадка с

поверхности мембраны. На рис. 6.4.14 показаны различные варианты применения модуля полых волокон.

Материал мембраны: полимеры.

Предел разделения мембран

Предел разделения мембран определяется минимальным весом молекулы, которая может быть

отфильтрована. Мембрана может иметь определенный или размытый предел разделения, как это

проиллюстрировано на рис. 6.4.15 для двух УФ мембран.

Аналогичный феномен наблюдается и в мембранных разделителях других типов, отличаясь лишь

наклоном кривой. Мембраны с определенным пределом фильтрации отделяют все, что имеет определенно

меньший молекулярный вес, тогда как мембраны с размытым пределом пропускают некоторые материалы с

более высоким молекулярным весом и задерживают некоторые материалы с более низким молекулярным весом.

Точность фильтрации мембраны определяется размером пор и распределением размеров пор.

Поскольку невозможно выполнить точное разделение по молекулярному весу или диаметру молекулы, порог

фильтрации более или менее размыт.

Утверждение, что молекулярный вес определяет предел фильтрации, должно приниматься с некоторым

допуском, поскольку имеет также значение и форма отделяемой частицы. Молекулу сферической формы

отделить легче, чем частицу, имеющую вид цепочки.

Кроме того, макромолекулы – например, протеины – образуют “вторичную мембрану”, которая может

реально влиять на размер задерживаемых молекул.

Прохождение материала сквозь мембрану

Скорость разделения зависит от следующих факторов:

• Сопротивление мембраны, которое является постоянной характеристикой каждой мембраны и

определяется

– толщиной мембраны

– площадью поверхности

– диаметром пор.

• Сопротивление прохождению, т.е. поляризация или эффект загрязнения. Поляризация представляет

собой эффект загрязнения (или связывания), который возникает на поверхности мембраны в процессе

фильтрации.

Образование слоя осадка можно объяснить следующим образом:

• Крупные молекулы (т.е. протеин или жир) конвекционным путем наносятся на мембрану под прямым

углом к направлению потока

• Градиент концентрации приводит к обратной диффузии в противоположном направлении

• Параллельно мембране протеины, присутствующие в примыкающем к ней слое, перемещаются со

скоростями, меняющимися с ростом продольной скорости потока

• Эффект поляризации не распространяется равномерно по мембране, в особенности когда снижение

давления порождает разные трансмембранные давления (ТМД) на поверхности мембраны. Поэтому первым

начинает закупориваться начальный отрезок мембраны. Поляризация постепенно распространяется по всей