МЕМБРАННАЯ УСТАНОВКА РАЗДЕЛЕНИЯ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ МЕТОДОМ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ

Полезная модель относится к области мембранных технологий, в частности к конструкции мембранной установки для разделения молочной сыворотки методом ультрафильтрации, которая может быть использована в пищевой, фармакологической и других отраслях промышленности.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой мембранной установке для разделения молочной сыворотки методом ультрафильтрации является выбранная в качестве прототипа мембранная установка для очистки воды (пат. РФ №2434812, кл. C02F 1/44, B01D 61/00), содержащая емкость исходной воды, насос подачи исходной воды, батарею половолоконных ультрафильтров, имеющую линию отвода концентрата с накопительной емкостью фильтрата, а также трубопроводы и запорно-регулирующую арматуру для подвода исходной воды, отвода фильтрата, концентрата и промывной воды.
Недостатком прототипа является необходимость предварительной подготовки исходной разделяемой среды, заключающейся в отделении дисперсной фазы и высокомолекулярных соединений (например, белков), так как в случае исключения данной стадии на поверхности половолоконных мембранных элементов интенсивно образуется слой отложений, повышающий трансмембранное сопротивление и препятствующий проведению процесса разделения, отсутствие возможности регулирования температуры разделяемого раствора, что приводит к снижению производительности установки, отсутствие оптимальных режимных параметров процесса разделения (давление, температура и скорость потока).
Полезная модель направлена на исключение стадии предварительной подготовки исходной разделяемой среды, заключающейся в удалении дисперсной фазы и высокомолекулярных соединений (например, белков), образующих слой отложений на поверхности мембран, повышающий трансмембранное сопротивление и препятствующий проведению процесса разделения. Исключение стадии предварительной подготовки позволяет упростить технологический процесс разделения молочной сыворотки методом ультрафильтрации.
Это достигается тем, что мембранная установка разделения молочной сыворотки методом ультрафильтрации содержит питающий бак с исходным раствором, трубопровод подачи исходного раствора с нормально открытым запорным клапаном, блок ультрафильтрации, питающий насос со всасывающим трубопроводом, снабженным нормально открытым запорным клапаном, причем в блоке ультрафильтрации использованы вертикально ориентированные керамические мембранные элементы, после питающего насоса установлен напорный насос для создания оптимальных гидродинамических параметров процесса разделения, на линии отвода ретентата установлен теплообменник, предназначенный для регулирования температуры ретентата и создания определенных температурных условий процесса разделения, с задвижками, предназначенными для регулирования расхода теплоносителя в теплообменнике, трехходовой кран для переключения подачи раствора в трубопровод напорного насоса или на слив, на линии отвода ретентата установлен обратный клапан, препятствующий возникновению встречного потока ретентата при циркуляции раствора, тем самым создающий оптимальные гидродинамические условия процесса разделения, и регулировочный клапан, а также два трехходовых крана, предназначенные для переключения подачи ретентата в питающий бак или слива в виде готового продукта, смонтирован трубопровод подачи чистой воды для промывки установки с нормально закрытым запорным клапаном и трубопровод подачи моющего раствора с нормально закрытым запорным клапаном.
При таком устройстве мембранной установки разделения молочной сыворотки методом ультрафильтрации эффективное проведение процесса разделения обеспечивается вертикально ориентированными керамическими мембранными элементами, напорным насосом, установленным после питающего насоса, обратным клапаном и теплообменником на линии отвода ретентата, создающими оптимальные гидродинамические и температурные условия разделения, что позволяет исключить стадию предварительной подготовки исходной разделяемой среды, упростить технологический процесс разделения молочной сыворотки методом ультрафильтрации и подтверждается соответствующими экспериментальными данными (табл.1, 2).
Таблица 1.
Исходные физико-химические параметры молочной сыворотки
Параметр
Значение
Белок общий, %
0,71
Лактоза, %
4,93
Жир, %
0,12
Минеральные в-а, %
0,61
СВ, %
6,37
Таблица 2.
Физико-химические параметры ретентата и пермеата молочной сыворотки после разделения методом ультрафильтрации на мембранной установке заявленной конструкции (при заявленных гидродинамических и температурных условиях)
Параметр
Значение
ретентат
пермеат
Белок общий, %
6,82
0,01
Лактоза, %
4,92
4,95
Жир, %
1,04
0,00
Минеральные в-а, %
0,67
0,61
СВ, %
13,45
5,57
В процессе разделения молочной сыворотки на мембранной установке заявленной конструкции в получаемом ретентате увеличивается количество белка с 0,71% до 6,82%, жира с 0,12% до 1,04%, общее количество растворенных сухих веществ возрастает с 6,37% до 13,45%, а в пермеате количество белка уменьшается до 0,01%, жира до 0,00% (табл.1, 2), что подтверждает проведение процесса разделения методом ультрафильтрации.
На чертеже (фиг.1) представлена принципиальная схема мембранной установки для разделения молочной сыворотки методом ультрафильтрации.
Мембранная установка для разделения молочной сыворотки методом ультрафильтрации содержит следующие основные узлы и элементы: питающий бак 1 с исходным раствором, питающий насос 2 со всасывающим трубопроводом 3, снабженным нормально открытым запорным клапаном 4, блок ультрафильтрации 5 с вертикально ориентированными керамическими мембранными элементами, напорный насос 6 с подающим трубопроводом 7, теплообменник 8, предназначенный для регулирования температуры ретентата и создания определенных температурных условий процесса разделения, трубопровод 9 подачи исходного раствора с нормально открытым запорным клапаном 10, трубопровод 11 подачи чистой воды для промывки установки с нормально закрытым запорным клапаном 12, трехходовой кран 13 для переключения подачи раствора в трубопровод напорного насоса или на слив, обратный клапан 14, установленный на линии отвода ретентата и препятствующий возникновению встречного потока ретентата при циркуляции раствора, регулировочный клапан 15, два трехходовых крана 16 и 17, предназначенных для переключения подачи ретентата в питающий бак или слива в виде готового продукта, нормально открытый запорный клапан 18 на линии отвода пермеата 22, задвижки 19 и 20, предназначенные для регулирования расхода теплоносителя в теплообменнике 8, нормально открытый запорный клапан 21, предназначенный для регулирования подачи раствора в блок ультрафильтрации, трубопровод циркуляции раствора 23, трубопровод подачи моющего раствора 24 с нормально закрытым запорным клапаном 25.
Установка работает следующим образом.
Исходный раствор, например, молочную сыворотку, подают в питающий бак 1 по трубопроводу 9 при открытии запорного клапана 10. Из питающего бака 1 по всасывающему трубопроводу 3 при открытии клапана 4 раствор с помощью питающего насоса 2 при избыточном давлении 0,05 МПа подают в напорный насос. Напорный насос 6 создает оптимальные гидродинамические параметры процесса разделения, то есть избыточное давление в диапазоне от 0,2 до 0,35 МПа при скорости потока 2-3 м/с, раствор по трубопроводу 7 попадает в блок ультрафильтрации с вертикально ориентированными керамическими мембранными элементами 5, в котором вследствие разности давлений во внутримембранном и надмембранном пространстве происходит непрерывное разделение исходного раствора на пермеат, отводящийся по трубопроводу 22 при нормально открытом запорном клапане 18 и ретентат, поступающий в теплообменник 8. При этом температуру ретентата регулируют путем изменения количества теплоносителя, проходящего через теплообменник 8 открытием задвижек 19 и 20, таким образом, чтобы обеспечить определенные режимные параметры процесса разделения, то есть, поддержание температуры разделяемой среды в диапазоне от 15 до 20°C. Процесс разделения происходит непрерывно, при этом ретентат после теплообменника 8 возвращается в питающий бак 1 по трубопроводу 23 при непрерывном отводе пермеата по трубопроводу 22. При достижении необходимой концентрации растворенных веществ в ретентате, питающий 2 и напорный 6 насосы отключают, а трехходовые краны 16 и 17 открывают таким образом, чтобы обеспечить слив раствора в виде готового продукта. Для промывки системы открытием нормально закрытого запорного клапана 25 осуществляют подачу моющего раствора в питающий бак по трубопроводу 24, трехходовые краны 16 и 17 устанавливают в положение циркуляции и включением насосов 2 и 6 производят промывку, затем запорный клапан 25 перекрывают, моющий раствор сливают и установку аналогичным образом промывают чистой водой, подающейся в питающий бак по трубопроводу 11 при открытии нормально закрытого запорного клапана 12.
Таким образом, заявленная конструкция мембранной установки для разделения молочной сыворотки методом ультрафильтрации, включающая вертикально ориентированные керамические мембранные элементы, напорный насос, установленный после питающего насоса, теплообменник и обратный клапан на линии отвода ретентата, позволяет исключить стадию предварительной подготовки исходной разделяемой среды. Вследствие исключения стадии предварительной подготовки упрощается технологический процесс разделения молочной сыворотки методом ультрафильтрации.