К вопросу регенерации мембран в процессах микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей пищевых производств

УДК 66.067

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-1-312-315

К ВОПРОСУ РЕГЕНЕРАЦИИ МЕМБРАН В ПРОЦЕССАХ МИКРО- И УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

© А.И. Ключников, А.И. Потапов, К.К. Полянский

Рассмотрены способы регенерации различных типов мембран при осуществлении процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей пищевых производств с помощью пилотных установок. Приведены алгоритмы регенерации и мойки трековых, половолоконных и керамических мембран, указаны режимные параметры (температура, продолжительность, концентрация, способ и направление подачи), вид применяемых реагентов при микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей пищевых производств на примере пива нефильтрованного непастеризованнного, ферментного препарата инулиназы, воды водопроводной и творожной сыворотки.

Ключевые слова: мойка; регенерация; режимы; алгоритмы; мембраны трековые половолоконные; мембраны керамические.

Во время микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей на поверхности мембраны происходит образование слоя гелевых отложений, что неизбежно приводит к уменьшению удельной скорости процесса (проницаемости мембраны), вплоть до его полной остановки. Для восстановления пропускающей способности мембраны необходимо проводить ее периодическую регенерацию, что является неотъемлемым элементом при осуществлении любого мембранного процесса. Причем речь идет о восстановлении той доли проницаемости, которая уменьшается вследствие закупорки, засорения пор мембран, образования отложений различной природы на их поверхности, в отличие от уменьшения пропускной способности мембран вследствие необратимой усадки пор под действием градиента давления. В конечном итоге эффективность регенерации определяет срок службы мембран в установках микро- и ультрафильтрации, а следовательно, и экономическую составляющую используемого мембранного процесса [1-2].

Так как используемые трековые мембраны для микрофильтрации пива имели очень низкую механическую устойчивость, то единственным и эффективным способом регенерации мембран остается механическая очистка в сочетании с комбинированными моющими и дезинфицирующими средствами.

Применимость противоточных промывок неизбежно приводила к разрыву трековой мембраны из-за ее отрыва от дренажной подложки. Использование губчатых тел диаметром 5.. .7 мм в сочетании с работающим перемешивающим устройством показало успешные результаты по восстановлению проницаемости трековых мембран. В этом случае регенерация мембран осуществлялась без приложенного к мембране избыточного давления, а интенсивность воздействия на мембрану определялась, главным образом, уровнем моющих растворов на поверхности мембраны, их концентрацией, температурой, продолжительностью воз-

действия и частотой вращения перемешивающего устройства. Рекомендована следующая циклограмма регенерации трековых мембран:

- промывка примембранной и пермеатной зон чистой водой без приложенного к мембране избыточного давления, для удаления основной массы загрязнений - 3...5 мин.;

- промывка моющим раствором с добавлением добавки, содержащей энзимы, например, «Divos 80-2» в концентрации 0,1.0,3 % по массе при температуре 30.45 °С в течение 15.20 мин.;

- промывка примембранной зоны чистой водой -3.5 мин.;

- дезинфекция раствором надуксусной кислоты концентрацией 2,0.2,5 % в течение 15.20 мин.;

- промывка примембранной зоны стерильной водой - 3.5 мин.

Во время ультрафильтрации водопроводной воды загрязнения, поступающие с исходным раствором, накапливались на поверхности мембраны, образуя слой отложений.

Продолжительность стадии ультрафильтрации определялась качеством исходной воды, типом мембран (использовались мембранные модули АР-0,2 с полыми волокнами ВПУ-100 ПА), условиями предподготовки воды и эффективностью проводимых мероприятий по регенерации мембран.

Способ обратной промывки зависел от способа организации потоков на стадии ультрафильтрации. Если ультрафильтрация проводилась с подачей исходной воды сверху, основные загрязнения накапливались ближе к концу волокон в нижней части мембранного модуля, если снизу - наоборот, в верхней части. Для эффективного удаления этих загрязнений направление течения промывной воды вдоль модуля должно совпадать с направлением подачи исходной воды при ультрафильтрации. При этом обеспечивалось наиболее

2016. Т. 21, вып. 1. Техника

60

л/ч

50

i 40

30

20

Ii 1 d-i j i

у4^ i - - — > \ L -----

Г т—J • 1 l" у' i r—J

0 25

05

0.75

10

1 25

1.75

Рис. 1. Удельная скорость ультрафильтрации воды при выполнении периодических промывок и регенераций мембран на основе полых волокон

полное удаление загрязнений из волокон по кратчайшему пути.

Поскольку мембранный модуль был снабжен штуцерами для вывода пермеата сверху и снизу, то это позволило поочередно вводить пермеат с разных сторон модуля, а промывную воду выводить с противоположной стороны. Именно такой режим (рис. 1) обеспечивал наилучшее удаление загрязнений из волокон.

На основании вышеизложенного можно рекомендовать следующую схему регенерации ультрафильтрационных мембран на базе полых волокон:

- ультрафильтрация воды (подача исходной воды снизу, процесс 1-2) - 15.. .30 мин.;

- прямая промывка мембран пермеатом снизу, при условии совпадения потоков при рабочем режиме ультрафильтрации (процесс 2-3) - 1,5 мин.;

- обратная промывка пермеатом сверху (процесс 3-4) - 1,5 мин.;

- ультрафильтрация воды (подача исходной воды снизу, процесс 4-5) - 15.30 мин.;

- противоточная химическая промывка мембран щелочным раствором температурой 35.40 °С, концентрацией 0,5.1,0 % в течение 15.20 мин. (процесс 5-6);

- прямая промывка пермеатом сверху (не показан) - 1,5 мин.

Химическую промывку половолоконных мембран необходимо проводить с периодичностью 2.6 раз в неделю в зависимости от характера загрязнений, содержащихся в исходной воде.

Для дезинфекции половолоконных мембран, а также для предотвращения развития посторонней микрофлоры между циклами использовали метод погружения мембранного модуля в раствор надуксусной кислоты с перекисью водорода концентрацией 0,3.0,5 %.

После выполнения данного алгоритма мойки мембран направление потоков изменялось на противоположное путем переустановки мембранного модуля в другое положение.

Для обеспечения высокой эффективности мойки расход воды при обратной промывке должен превышать расход при ультрафильтрации в 2.3 раза. Полые волокна в этом случае подвергаются значительной гидродинамической нагрузке, чем при рабочих режимах ультрафильтрации воды. Поэтому интенсивность обратных промывок, их периодичность ограничена

допустимым по условиям прочности и устойчивости перепадом давления на мембранах.

Используемые в научных исследованиях керамические мембраны INSIDE CeRAM™ фирмы «TAMI Deutschland GmbH» и мембран марки КМФЭ позволили разработать программы мойки с учетом особенностей материала мембран и обрабатываемых технологических жидкостей. При мембранной обработке пива нефильтрованного непастеризованного, культуральной жидкости, продуктов переработки молока использовали схему, сочетающую в себе чередование прямых и обратных промывок, химических моек и дезинфекций. Конструкция мембранного модуля содержала два патрубка для подачи исходной технологической жидкости и два патрубка для отвода фильтрата, что позволило реализовать схемы наиболее полного удаления отложений. Быстросъемные зажимы позволяли быстро демонтировать мембранный модуль и устанавливать его в установке таким образом, чтобы направление потоков изменялось на противоположное. Для наиболее эффективного удаления отложений была предложена схема мойки, аналогичная схеме мойки половолокон-ных мембран:

- микро-, ультрафильтрация технологической жидкости (подача исходного раствора снизу) - 25.40 мин.;

- прямая промывка мембран обессоленной горячей водой температурой не менее 75.80 °С снизу, при условии совпадения потоков при рабочем режиме микро- и ультрафильтрации - 5.10 мин.;

- обратная промывка обессоленной горячей водой температурой не менее 75.80 °С сверху - 5.10 мин.;

- противоточная химическая промывка мембран щелочным раствором с содержанием ПАВ температурой 75.80 °С, концентрацией 1,0.1,5 % в течение 15.20 мин.;

- обратная промывка обессоленной холодной водой сверху - 5.10 мин.;

- противоточная химическая промывка мембран раствором азотной кислоты температурой 75.80 °С, концентрацией 1,0.1,5 % в течение 15.20 мин.;

- обратная промывка обессоленной холодной водой сверху - 5.10 мин.;

- противоточная химическая промывка мембран раствором надуксусной кислоты 15.20 °С, концентрацией 0,5.1,0 % в течение 10.15 мин.;

- обратная промывка обессоленной холодной водой сверху - 5.10 мин.

Перед очередным использованием керамических мембран проводили дезинфекцию установки раствором надуксусной кислоты в течение 10.15 мин., затем обратную промывку обессоленной холодной водой сверху, заполняли систему стерильной водой.

Значительная масса отложений на керамических мембранах вызвана воздействием белков, жирных кислот, дрожжевых клеток, взвесей различного характера, представляющих собой сложные, с позиций мойки, загрязнения. Следует однозначно понимать, что предложенные в данном разделе схемы и режимы мойки различных типов мембран подлежат корректировке в производственных условиях. Возможно, может потребоваться двухстадийная регенерация мембран для стабильного микробиологического состояния всей установки. Особое значение необходимо придавать химическому составу воды, на которой будут приготавливаться рабочие растворы щелочей, кислот и дезинфек-тантов.

Физические методы регенерации, например, воздействие на мембрану магнитного и электрического полей, ультразвуковых колебаний, не нашли массового

применения в мембранной технике. Несмотря на очевидные преимущества физических методов воздействия на примембранный слой высокой концентрации, сами эти методы самостоятельно удалить с поверхности мембраны отложения не могут, т. е. должны применяться в комплексе с известными способами борьбы с концентрационной поляризацией, например в сочетании с гидродинамическими режимами воздействия, химическими промывками и т. д. [3-4].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Горячий Н.В., Свитцов А.А., Марданян М.М. и др. О природе загрязнений мембран в процессе концентрирования пектиновых экстрактов // Серия Критические технологии. Мембраны. 2002. № 2 (18). С. 40-44.

2. МулдерМ. Введение в мембранную технологию. М.: Мир, 1999.

3. Пономарев А.Н., Ключников А.И., Полянский К.К. Основные направления мембранных технологий при переработке молочной продукции: монография. Воронеж: Изд-во «Истоки», 2011. 356 с.

4. Ключников А.И., Пономарев А.Н., Полянский К.К. Пилотные установки мембранной фильтрации в процессах переработки молочного сырья // Сыроделие и маслоделие. 2014. № 4. С. 32-33.

Поступила в редакцию 23 декабря 2015 г.

Ключников Андрей Иванович, Воронежский государственный университет инженерных технологий, г. Воронеж, Российская Федерация, кандидат технических наук, доцент кафедры машин и аппаратов пищевых производств, e-mail: kaivanov@mail.ru

Потапов Андрей Иванович, Воронежский государственный университет инженерных технологий, г. Воронеж, Российская Федерация, кандидат технических наук, доцент кафедры машин и аппаратов пищевых производств, e-mail: a.i.potapov@rambler.ru

Полянский Константин Константинович, Воронежский филиал Российского экономического университета им. Г.В. Плеханова, г. Воронеж, Российская Федерация, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, e-mail: kommerce_tovarovedenie@mail.ru

2016. T. 21, Bhm. 1. TexHHKa

UDC 66.067

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-1-312-315

ON THE ISSUE OF REGENERATION MEMBRANE PROCESSES MICRO- AND ULTRAFILTRATION TECHNOLOGIES OF FLUIDS FOOD PRODUCTION

©A.I. Klyuchnikov, A.I. Potapov, K.K. Polyanskiy

The methods of regeneration of different types of membrane processes in the implementation of micro and ultrafiltration process fluids food production through pilot installations are considered. Algorithms of regeneration and washing track, hollow fiber and ceramic membranes are indicated operational parameters (temperature, time, concentration, method and direction of flow), type of reagents used in the micro and ultrafiltration process liquids of food production on the example of unfiltered beer, inulinase enzyme preparation, water tap and cheese whey. Key words: washing, regeneration; modes; algorithms; membranes of hollow fibers; ceramic membranes.

REFERENCES

1. Goryachiy N.V., Svittsov A.A., Mardanyan M.M. et al. O prirode zagryazneniy membran v protsesse kontsentrirovaniya pektinovykh ekstraktov. Seriya Kriticheskie tekhnologii. Membrany, 2002, no. 2 (18), pp. 40-44.

2. Mulder M. Vvedenie v membrannuyu tekhnologiyu. Moscow, Mir Publ., 1999.

3. Ponomarev A.N., Klyuchnikov A.I., Polyanskiy K.K. Osnovnye napravleniya membrannykh tekhnologiy pri pererabotke molochnoy produktsii. Voronezh, Publishing House "Istoky", 2011. 356 p.

4. Klyuchnikov A.I., Ponomarev A.N., Polyanskiy K.K. Pilotnye ustanovki membrannoy filtratsii v protsessakh pererabotki molochnogo syrya. Syrodelie i maslodelie, 2014, no. 4, pp. 32-33.

Received 23 December 2015

Klyuchnikov Andrey Ivanovich, Voronezh State University of Engineering Technologies, Voronezh, Russian Federation, Candidate of Technics, Associate Professor of Machines and Apparatus of Food Production Department, e-mail: kaiva-nov@mail.ru

Potapov Andrey Ivanovich, Voronezh State University of Engineering Technologies, Voronezh, Russian Federation, Candidate of Technics, Associate Professor of Machines and Apparatus of Food Production Department, e-mail: a.i.potapov@rambler.ru

Polyanskiy Konstantin Konstantinovich, Plekhanov Russian University of Economics, Voronezh branch, Voronezh, Russian Federation, Doctor of Technics, Professor, Honored Worker of Science of Russian Federation, e-mail: kom-merce_tovarovedenie@mail.ru