Application of ultra- and nanofiltration methods for concentration and purification of potato juice
Authors: Рид А.А. 
Published: June 2023

В статье приведены результаты исследований по применению методов мембранной технологии при концентрировании и очистке картофельного сока. В лабораторных условиях исследована эффективность применения ультрафильтрации с использованием полимерных половолоконных мембран для первичного концентрирования картофельного сока и нанофильтрации с использованием рулонных мембранных модулей для доочистки пермеата ультрафильтрации с целью получения очищенной воды, которую можно повторно использовать в производственном цикле. В качестве объектов исследования использовались нативный картофельный сок с содержанием сухих веществ 4,2 мас.% и картофельный сок, подверженный термической обработке при температуре 90…100 °С в интервале времени 5–10 мин, с содержанием сухих веществ 3,7 мас.%. Термическая обработка проводилась с целью снижения содержания сухих веществ в исходном картофельном соке. На стадии ультрафильтрации использовались половолоконные мембранные модули, характеризующиеся отсечкой по молекулярной массе 10, 30, 50 и 150 кДа. Материал мембран – полиэфирсульфон. На стадии нанофильтрации применялся рулонный модуль с мембранами, изготовленными из пиперазинамида. Установка осуществляла работу в режиме максимального концентрирования, то есть полученный после мембраны в результате разделения концентрат возвращался в исходный разделяемый раствор для увеличения степени концентрирования, а пермеат отбирался в отдельную емкость. По результатам исследования при концентрировании картофельного сока на стадии ультрафильтрации удалось увеличить содержание сухих веществ с 4,2 до 19,1 мас.% . После проведения доочистки пермеата со стадии ультрафильтрации при применении нанофильтрации удалось снизить содержание сухих веществ на 95%. Определена оптимальная температура проведения концентрирования картофельного сока на стадии ультрафильтрации, которая не должна превышать 45 °С для предотвращения денатурации и потери полезных свойств белков. Определен оптимальный перепад давления при проведении ультра- и нанофильтрации при концентрировании и очистке картофельного сока, который должен поддерживаться не ниже 4,5 бара.
In this article are presented the results of research on the application of membrane technology methods in the concentration and purification of potato juice. The effectiveness of ultrafiltration using polymer hollow fiber membranes for primary concentration of potato juice and nanofiltration using spiral-wound membrane modules for post-treatment of ultrafiltration permeate in order to obtain the purified water to be reused in the production cycle has been studied in laboratory conditions. The objects of the study were native potato juice with a dry matter content of 4.2 % by weight and potato juice subjected to heat treatment at a temperature of 90…100 °C in a time interval of 5–10 minutes, with a dry matter content of 3.7 % by weight. Heat treatment was carried out in order to reduce the dry matter content in the feed potato juice. At the ultrafiltration stage, hollow fiber membrane modules were used, characterized by a molecular weight cutoff of 10, 30, 50 and 150 kDa. The membranes material is polyestersulfone. At the nanofiltration stage, a spiral-wound module with membranes made of piperazinamide was used. The unit operated in the maximum concentration mode, that is, the concentrate obtained after the membrane as a result of separation was returned to the feed separable solution to increase the degree of concentration, and the permeate was taken into a separate container. According to the results of the study, when concentrated at the ultrafiltration stage, it was possible to increase the dry matter content from 4.2 to 19.1 % by weight. After finishing the permeate from the ultrafiltration stage, when using nanofiltration, it was possible to reduce the dry matter content by 95 %. The optimal temperature of potato juice concentration at the ultrafiltration stage has been determined, which should not exceed 45 °C to prevent denaturation and loss of useful properties of proteins. The optimal pressure drop during ultra- and nanofiltration during the concentration and purification of potato juice has been determined, which should be maintained at least 4.5 bar.