Оборудование для разделения и концентрирования молока мембранными методами

К мембранным методам обработки молока относятся ультрафильтрация, обратный осмос и электродиализ.

В основе всех мембранных методов лежит принцип разделения и концентрирования молочного сырья в процессе фильтрации через специальные мембраны под действием давления (ультрафильтрация и осмос) или электрического поля (электродиализ).

Ультрафильтрацию используют для выделения белков из молока и молочной сыворотки; при обратном осмосе молочное сырье концентрируется, так как через мембраны проходит только вода; для деминерализации молочную сыворотку подвергают электродиализу.

Исполнительный орган установок для фильтрации и обратного осмоса — полупроницаемая мембрана на основе ацетата целлюлозы и пористых полимерных материалов. Для ультрафильтрации применяют мембраны с порами размером 500… 100 нм. Такие мембраны задерживают молекулы, размеры которых больше размеров пор, и пропускают мелкие молекулы. Процесс ультрафильтрации проводят под давлением ОД…0,5 МПа. Для обратного осмоса используют полупроницаемые мембраны с порами размером не менее 50 нм, процесс ведут при давлении 1…10 МПа.

Мембранный аппарат состоит из корпуса, мембраны, дренажного узла, крепежных деталей, конструктивных элементов для ввода исходного раствора и выхода концентрата и фильтрата, перемешивания и др. Для мембранного разделения применяют четыре типа мембранных аппаратов: плоскорамные, трубчатые, рулонные и с полыми волокнами (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Мембранные аппараты:

а — плоскорамный: 1 — фланец; 2 — мембрана; 3 — дренажная пластина; 4 — уплотнительная пластина; 5 — разделительная пластина; б — трубчатый 1 — герметизирующий материал (компаунд); 2 — корпус; 3 — трубчатая мембрана; в — рулонный: 1 —трубка для отвода фильтрата; 2 — мембрана;

• 3 — каналообразующий элемент (турбулизатор); 4 — подложка-дренаж;
• 5 — клеевое соединение; г — с полыми волокнами: 1 — подложка-дренаж; 2 — шайба с полым волокном; 3 — корпус; 4 — полое волокно; 5 — крышка

Промышленные мембранные аппараты представляют собой пакеты, блоки, комплексы мембранных элементов: ячеек, секций, модулей. Мембранный аппарат обычно является частью мембранной установки периодического или непрерывного действия, которая включает: насосы; дозирующие устройства; емкости для исходного раствора, фильтрата, концентрата и моющих растворов; соединительные трубопроводы и контрольно-измерительные приборы.

Ультрафильтрационная установка состоит из фильтрующего аппарата, насоса для подачи в аппарат продукта, насоса для проталкивания его через мембранные фильтры, соединительных трубопроводов и регулирующих вентилей.

Главная часть фильтрующего аппарата — полупроницаемая мембрана — тонкая пористая пленка с порами менее 0,5 мкм. Пленка помещается на макропористую подложку, усиливающую ее механическую прочность. Обычно в качестве подложки применяют пористую нержавеющую листовую сталь толщиной 0,5…3 мм с порами 0,5…10 мкм.

На рис. 3.5, а показана работа мембранной ультрафильтрационной установки для переработки творожной сыворотки, которая состоит из воды, белка, жира, лактозы и соли. На первой стадии в результате ультрафильтрации получают концентрат, содержащий 15% белка, и лактозно-солевой раствор. На второй лактозно-солевой раствор пропускают через обратноосмотическую мембрану и получают концентрированный раствор лактозы (10…20%), и фильтрат, который представляет собой 1%-ный раствор солей.

Конструкции ультрафильтрационных установок для обработки молочных и пищевых продуктов разнообразны. Наиболее простая из них показана на рис. 3.5, б.

Рис 3.5. Мембранная ультрафильтрационная установка:

а — рабочая схема: 1 — ультрафильтрационная мембрана;

• 2 — обратноосмотическая мембрана; б — устройство: 1 — мембрана;
• 2 — подложка из пористой нержавеющей стали; 3 — прокладка; 4 — канавка;
• 5 — корпус

В более совершенных установках, например в системе «Сартокон-2», фильтруемая жидкость проталкивается насосом через тонкие каналы между двумя фильтрами. Часть жидкости проходит через мембранные фильтры, а остальная попадает в емкость с исходным продуктом, чтобы вновь рециркулировать через систему. Непрерывный тангенциальный поток вдоль поверхности фильтра обусловливает эффективную фильтрацию, так как не позволяет задержанным частицам или веществам осесть на поверхности фильтров и блокировать их. Эффект очистки усиливается благодаря использованию в узком канале между фильтрами специальной сетки, вызывающей турбулентность потока.

В системе «Сартокон-2» применяют модули «Микросарт» с мембранными фильтрами из ацетата целлюлозы или полиолефина с порами размером 0,1; 0,3; 0,45 мкм или модули «Ультрасарт» с ультрафильтрами из триацетата целлюлозы или полисульфона с номинальной селективностью по молекулярной массе 300 000, 100 000, 30 000, 10 000 и 5000.

Производительность системы «Сартокон-2» зависит от числа установленных в ней модулей, площадь поверхности которых может изменяться в пределах 0,7…4,9 м² при ультрафильтрации и 0,7…4,2 м² при микрофильтрации.