Способ регенерации полимерных мембранных элементов, используемых в технологии производства молочного сахара
METHOD OF REGENERATING POLYMER MEMBRANE ELEMENTS USED IN PRODUCTION OF MILK SUGAR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к молочной промышленности, а именно к способам регенерации полимерных мембранных элементов, применяемых в технологии производства молочного сахара, и может быть использовано при производстве концентрата молочного белка из обезжиренного молока и подсырной сыворотки способом ультрафильтрации.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен способ регенерации ультрафильтрационных полимерных мембранных элементов УПМ-П-450, используемых при концентрировании молочных сывороточных белков из подсырной сыворотки, включающий операции мойки при давлении 0,35±0,05 МПа: ополаскивания продуктового контура чистой водой в течение 30…35 минут при температуре 35…37°С, обработки 0,8÷1,0%-ным щелочным моющим раствором в течение 90÷120 минут при температуре 55÷58°С, повторного промывания водой для удаления остатков щелочного раствора, дезинфекции раствором гипохлорита (35…50 мг активного хлора в 1 л раствора) или дихлоризоцианурата натрия (25…50 мг активного хлора в 1 л раствора) при температуре 25…40°С в течение 10…15 минут; один раз в три дня после мойки щелочным раствором и промывки водой от его остатков осуществляют операцию обработки 0,5%-ным раствором азотной кислоты или 0,3%-ным раствором фосфорной кислоты в течение 30…35 минут при температуре 55…58°С, ополаскивании водой от остатков кислотного раствора в течение 15…20 минут и последующей дезинфекции, как указано выше (см. Фетисов Е.А., Чагаровский А.П. Мембранные и молекулярно-ситовые методы переработки молока. - М.: Агропромиздат, 1991. - 272 с: ил.).
Недостатком известного способа является использование большого количества моющих растворов и неполная регенерация ультрафильтрационных полимерных мембранных элементов.
Известен способ регенерации ультрафильтрационных мембранных элементов путем чередования ополаскивания продуктового контура водой и обработки щелочным раствором с ПАВ, включающий в себя обработку мембранных элементов кислотным раствором с концентрацией 1,2-1,5% в течение 20 мин при температуре 70-75°С и давлении 0,1 МПа, а обработку щелочным раствором с ПАВ ведут в два этапа, на первом из которых при давлении 0,1 МПа, на втором - 0,4 МПа, при этом щелочной раствор берут с концентрацией 3,7-4% с добавлением 0,02%-ного анионогенного ПАВ РАМП и на первом этапе обработку ведут в течение 30 мин при температуре 78-80°С, на втором - в течение 35-40 мин, причем последнее ополаскивание водой проводят в течение 5-7 мин при температуре 20-25°С при давлении 0,1 МПа. (см. пат. №2362614, МПК B01D 65/06 (2006.01), опубл. 27.07.2009).
Недостатком известного способа является не полная регенерация ультрафильтрационных мембранных элементов в связи с использованием неионогенного ПАВа.
Наиболее близким по технической сущности является способ регенерации ультрафильтрационных керамических мембранных элементов, используемых в технологии производства творога детского методом ультрафильтрации, включающий ополаскивание продуктового контура чистой водой в течение 10-15 минут при температуре 20-25°С и отсутствии рабочего давления, обработку раствором щелочного средства с концентрацией 1,0-2,0% в течение 30-40 минут при температуре 70-72°С и давлении 0,1 МПа, повторного промывания водой в течение 15-20 минут при температуре 20-25°С и давлении 0,1 МПа, обработку 0,5-0,7%-ным кислотным моющим раствором в течение 20-22 минут при температуре 50-55°С, обработку водой от остатков кислотного раствора в течение 15-20 мин при температуре 20-25°С и повторную мойку тем же раствором щелочного средства в течение 15-20 минут при температуре 70-72°С, промывание чистой водой от остатков щелочного раствора в течение 12-15 минут при температуре 20-25°С и последующая обработка дезинфицирующим раствором непосредственно перед пуском установки на продукте, (см. пат. №2544701, МПК B01D 65/06 (2006.01), А23С 7/02 (2006.01), опубл. 20.03.2015).
Недостатком известного способа является использование трех этапов химической мойки, что приводит к увеличенным затратам на осуществления процесса регенерации и уменьшению срока использования мембранных элементов.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа регенерации полимерных мембранных элементов, используемых в технологии производства молочного сахара, на основе промывания высокоскоростным потоком воды, что будет способствовать уменьшению общего времени на проведение регенерации мембранных элементов, увеличению срока их эксплуатации, сокращению количества этапов мойки химическими моющими средствами.
Технический результат, который может быть получен с помощью предлагаемого изобретения, сводится к уменьшению общего времени на проведение регенерации мембранных элементов, увеличению срока их эксплуатации, сокращению количества этапов мойки химическими моющими средствами.
Указанный технический результат достигается с помощью способа регенерации полимерных мембранных элементов, используемых в технологии производства молочного сахара, включающий промывание мембранного контура чистой водой в течение 20-25 минут при температуре 23-25°С и при нулевом значении перепада давления по обе стороны мембраны, обработку 0,5-0,6%-ным кислотным моющим раствором в течение 22-25 минут при температуре 25-30°С, давлении 0,2 МПа и скорости потока 0,15-0,2 м/с, вытеснение водой от остатков кислотного раствора в течение 15-20 минут при температуре 20-25°С при давлении 0,2 МПа, обработку раствором щелочного средства с концентрацией 1,5-2,5% в течение 25-30 минут при температуре 20-25°С, давлении 0,2 МПа и скорости потока 0,15-0,2 м/с, промывание чистой водой от остатков щелочного раствора в течение 20-25 минут при температуре 21-23°С и последующая обработка дезинфицирующим раствором непосредственно перед пуском установки на продукте, причем согласно изобретению, первоначальное и окончательное промывание проводят высокоскоростным потоком при 0,3-0,35 м/с чистой воды, которая специально подготавливается методом обратного осмоса.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Сущность предложенного способа заключается в следующем.
Первоначальное промывание мембранного контура баромембранной установки, укомплектованной спиральным ультрафильтрационным мембранным элементом, проводят после окончания процесса фракционирования обезжиренного молока на пермеат (раствор лактозы), необходимый для осуществления технологии получения молочного сахара, и ретентат (концентрат молочных белков). С целью наиболее эффективного частичного разрушения и механического удаления, в том числе самых удаленных, слоев загрязнений на мембранной поверхности этап первоначального промывания осуществляется высокоскоростным потоком воды (при нулевом значении перепада давления по обе стороны мембраны) в течение 20-25 минут при температуре 23-25°С и скорости потока 0,3-0,35 м/с. Скорость потока рабочей жидкости в контуре ультрафильтрационного аппарата регулируется скоростью вращения электродвигателей насоса.
Этапы промывания осуществляют через накопительную емкость, входящую в контур баромембранной установки с использованием специально очищенной умягченной воды, подготовленной методом обратного осмоса (общая жесткость - 0,02 мг/экв на 1 л (не более); содержание: железа - до 0,05 мг/л; марганца - до 0,02 мг/л; силикатов - до 40 мг/л; рН=6,5-7,5.).
Далее проводят обработку кислотным моющим раствором при температуре 25-30°С, давлении 0,2 МПа и скорости потока 0,15-0,2 м/с в течении 22-25 минут. В качестве кислотного моющего средства используют предварительно подготовленный раствор азотной кислоты с концентрацией 0,5-0,6%. Затем использованный кислотный моющий раствор вытесняют промыванием мембранного контура чистой водой в течение 15-20 минут при температуре 20-25°С, давлении 0,2 МПа и скорости потока 0,15-0,2 м/с до нейтральной реакции смывной воды, контроль качества которой осуществляют специальными датчиками ph индикации, находящимися в контуре баромембранной установки.
После вытеснения кислотного моющего средства с мембранного контура промыванием чистой водой проводится этап щелочной мойки в течение 25-30 минут при температуре 20-25°С, давлении 0,2 МПа и скорости потока 0,15-0,2 м/с. В качестве щелочного моющего средства используют предварительно подготовленный раствор на основе Divos 95 с концентрацией 1,5-2,5%, который является низкопенным, жидким щелочным средством для мойки мембран ультрафильтрации, эффективно удаляет жиры, белок и предотвращает образование загрязнений.
Затем использованный щелочной раствор промывают, непрерывно подавая в ультрафильтрационную установку чистую воду до получения нейтральной реакции смывной воды, контроль качества которой осуществляют специальными датчиками ph индикации, находящимися в контуре баромембранной установки. С целью восстановления мембранной проницаемости промывание щелочного раствора осуществляется высокоскоростным потоком воды при нулевом значении перепада давления по обе стороны мембраны в течение 20-25 минут при температуре 23-25°С и скорости потока 0,3-0,35 м/с.
В таблице 1 представлены основные параметры, характеризующие эффективность процесса регенерации ультрафильтрационных мембран, по сравнению с прототипом.
ПРИМЕРЫ КОНКРЕТНОГО ВЫПОЛНЕНИЯ СПОСОБА РЕГЕНЕРАЦИИ ПОЛИМЕРНЫХ МЕМБРАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА МОЛОЧНОГО САХАРА
Пример 1
Первоначальное промывание мембранного контура ультрафильтрационной установки проводят после окончания процесса фракционирования обезжиренного молока на пермеат (раствор лактозы), необходимый для осуществления технологии получения молочного сахара, и ретентат (концентрат молочных белков) чистой водой в течение 20-25 минут при температуре 23-25°С и скорости потока 0,2 м/с, обработку 0,5-0,6%-ным кислотным моющим раствором в течение 22-25 минут при температуре 25-30°С, давлении 0,2 МПа и скорости потока 0,15-0,2 м/с, вытеснение водой от остатков кислотного раствора в течение 15-20 минут при температуре 20-25°С при давлении 0,2 МПа, обработку раствором щелочного средства с концентрацией 1,5-2,5% в течение 25-30 минут при температуре 20-25°С, давлении 0,2 МПа и скорости потока 0,15-0,2 м/с, промывание чистой водой от остатков щелочного раствора в течение 20-25 минут при температуре 21-23°С и скорости потока 0,2 м/с.
Степень регенерации мембранного элемента 97,5%
Пример 2
Первоначальное промывание мембранного контура ультрафильтрационной установки проводят после окончания процесса фракционирования обезжиренного молока на пермеат (раствор лактозы), необходимый для осуществления технологии получения молочного сахара, и ретентат (концентрат молочных белков) чистой водой в течение 20-25 минут при температуре 23-25°С и скорости потока 0,25 м/с, обработку 0,5-0,6%-ным кислотным моющим раствором в течение 22-25 минут при температуре 25-30°С, давлении 0,2 МПа и скорости потока 0,15-0,2 м/с, вытеснение водой от остатков кислотного раствора в течение 15-20 минут при температуре 20-25°С при давлении 0,2 МПа, обработку раствором щелочного средства с концентрацией 1,5-2,5% в течение 25-30 минут при температуре 20-25°С, давлении 0,2 МПа и скорости потока 0,15-0,2 м/с, промывание чистой водой от остатков щелочного раствора в течение 20-25 минут при температуре 21-23°С и скорости потока 0,25 м/с.
Степень регенерации мембранного элемента 98,5%
Пример 3
Первоначальное промывание мембранного контура ультрафильтрационной установки проводят после окончания процесса фракционирования обезжиренного молока на пермеат (раствор лактозы), необходимый для осуществления технологии получения молочного сахара, и ретентат (концентрат молочных белков) чистой водой в течение 20-25 минут при температуре 23-25°С и скорости потока 0,3 м/с, обработку 0,5-0,6%-ным кислотным моющим раствором в течение 22-25 минут при температуре 25-30°С, давлении 0,2 МПа и скорости потока 0,15-0,2 м/с, вытеснение водой от остатков кислотного раствора в течение 15-20 минут при температуре 20-25°С при давлении 0,2 МПа, обработку раствором щелочного средства с концентрацией 1,5-2,5% в течение 25-30 минут при температуре 20-25°С, давлении 0,2 МПа и скорости потока 0,15-0,2 м/с, промывание чистой водой от остатков щелочного раствора в течение 20-25 минут при температуре 21-23°С и скорости потока 0,3 м/с.
Степень регенерации мембранного элемента 99,9%
Пример 4
Первоначальное промывание мембранного контура ультрафильтрационной установки проводят после окончания процесса фракционирования обезжиренного молока на пермеат (раствор лактозы), необходимый для осуществления технологии получения молочного сахара, и ретентат (концентрат молочных белков) чистой водой в течение 20-25 минут при температуре 23-25°С и скорости потока 0,35 м/с, обработку 0,5-0,6%-ным кислотным моющим раствором в течение 22-25 минут при температуре 25-30°С, давлении 0,2 МПа и скорости потока 0,15-0,2 м/с, вытеснение водой от остатков кислотного раствора в течение 15-20 минут при температуре 20-25°С при давлении 0,2 МПа, обработку раствором щелочного средства с концентрацией 1,5-2,5% в течение 25-30 минут при температуре 20-25°С, давлении 0,2 МПа и скорости потока 0,15-0,2 м/с, промывание чистой водой от остатков щелочного раствора в течение 20-25 минут при температуре 21-23°С и скорости потока 0,35 м/с.
Степень регенерации мембранного элемента 99,9%
Пример 5
Первоначальное промывание мембранного контура ультрафильтрационной установки проводят после окончания процесса фракционирования обезжиренного молока на пермеат (раствор лактозы), необходимый для осуществления технологии получения молочного сахара, и ретентат (концентрат молочных белков) чистой водой в течение 20-25 минут при температуре 23-25°С и скорости потока 0,4 м/с, обработку 0,5-0,6%-ным кислотным моющим раствором в течение 22-25 минут при температуре 25-30°С, давлении 0,2 МПа и скорости потока 0,15-0,2 м/с, вытеснение водой от остатков кислотного раствора в течение 15-20 минут при температуре 20-25°С при давлении 0,2 МПа, обработку раствором щелочного средства с концентрацией 1,5-2,5% в течение 25-30 минут при температуре 20-25°С, давлении 0,2 МПа и скорости потока 0,15-0,2 м/с, промывание чистой водой от остатков щелочного раствора в течение 20-25 минут при температуре 21-23°С и скорости потока 0,4 м/с.
Степень регенерации мембранного элемента 99,9%
Вывод
Наиболее оптимальным из рассмотренных примеров является 3й и 4й, так как в первом и втором примере при значении скорости циркуляции потока 0,2 и 0,3 м/с происходит недостаточная очистка мембранного элемента (97,5 и 98,5 соответственно), а в пятом, не смотря достаточную степень регенерации, уже будет затрачиваться большее количество электроэнергии для увеличения скорости потока двигателем насоса. Поэтому для уменьшения общего времени на проведение регенерации ультрафильтрационного мембранного элемента, сокращению количества этапов мойки химическими моющими средствами, самым оптимальным является способ, включающий первоначальное и окончательное промывание высокоскоростным потоком чистой воды при значениях скорости потока 0,3-0,35 м/с.
Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными технологическими решениями имеет следующие преимущества:
- уменьшение общего времени на проведение регенерации полимерных мембранных элементов;
- сокращение количества этапов мойки химическими моющими средствами;
- снижение стоимостных показателей эксплуатации полимерных мембранных элементов;
- повышение срока службы полимерных мембранных элементов.
Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения условию патентоспособности «новизна».
Сравнительный анализ показал, что в уровне техники не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения, а также не подтверждена известность влияния этих признаков на технический результат. Таким образом, заявленное техническое решение удовлетворяет условию патентоспособности «изобретательский уровень».