Оптимизация процесса фильтрации картофельного сока с применением керамических мембран

НТП: ПЕРЕРАБОТКА

получения однотипного льноволокна, основное отличие которой от существующих заключается в изменении последовательности выполнения технологических операций и наличии двух трепальных секций.

Для комплектования линии можно использовать созданные во ВНИИМЛ сушильную машину СКПЩ-1Л, слоеформирующий механизм СПЛ-2, мяльную машину ММФ-1Л и куделеприготовительный агрегат КПАЛ-И.

Применение модернизированной технологической схемы линии для получения однотипного льноволокна при переработке тресты № 0,75 и производительности 900 кг/ч обеспечит расчетный экономический эффект 6 млн руб. в год. При этом, в сравнении с известными линиями, производительность оборудования возрастет в 1,4-1,6 раза, труда - в 1,7-2,0 раза; установленная мощность двигателей уменьшается в 2,0-2,4 раза, расход теплоносителя - в 2,0-2,2 раза, а капитальные вложения - в 1,8-2,0 раза.

Литература.

1. Успенский В.К., Лобанов В.И., Гинзбург Л.Н. Вопросы переработки льна во Франции. - М.: ЦНИИ информации, 1970. - 77 с.

2. Гилязетдинов Р.Н., Коробченко С.П. К вопросу производства льна без разделения его на длинное и короткое //Повышение конкурентоспособности льняного комплекса России в современных условиях: мат. Межд. науч.-практ. конф. (г.Вологда, 25 февраля 2009 г.). - Вологда - Тверь, 2009. С. 142-145. - 250 с.

3. Храмцов В.Н. Справочник по заводской первичной обработке льна. - М.: Легпищепром», 1984. - 510 с.

4. А.с. № 983155 СССР. МПК 3Д01В1/10. Устройство для обработки лубоволокнистого материала/А.П. Апыхин, А.С.Дербенев, И.Н. Левитскмесий, А.А. Федоров, Ф.А. Ицков, А.И. Чепусенко, О.А. Куликовский. - № 3229422/28-12; Заявл. 31.12.1980; опубл. 23.12.1982. Бюл. № 47. - 2 с.

5. Ковалев М.М., Апыхин А.П., Молофеев В.Ю. Совершенствование технологии и оборудования для получения короткого волокна из льняной тресты // Повышение конкурентоспособности льняного комплекса России в современных условиях: мат. Межд. науч.-практ. конф. (г. Вологда, 25 февраля 2009 г.). - Вологда-Тверь, 2009. - С. 128-135. - 250с.

THE STATE AND PROSPECTS OF DEVELOPMENT TECHNOLOGY AND EQUIPMENT FOR RECEIPT

OF THE SAME TYPE FIBRE U.F. Lachuga, M.M. Kovalev, A.P. Apihin

Summary. In article presented analysis constructional-engineering plans of lines purification of flax for receipt of the same type fiber of flax from low sort flax straw and waste of vibration. Also have been presented modernize engineering plan for receipt of the same type fiber of flax, based on alteration of sequence execution technological operations and application two sections of vibrations in there. Key words. constructional-engineering plan of line, waste of vibration, flax straw, of the same type fiber of flax.

УДК 664: 504

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ФИЛЬТРАЦИИ КАРТОФЕЛЬНОГО СОКА С ПРИМЕНЕНИЕМ КЕРАМИЧЕСКИХ МЕМБРАН

Н.В. ВОЛКОВ, аспирант

Н.Д. ЛУКИН, доктор технических наук, зам. директора

Л.В. КРИВЦУН, кандидат технических наук, зав. лабораторией

ВНИИ крахмалопродуктов Россельхозакадемии

E-mail: vniik@arrisp.ru

Резюме. Для определения наиболее подходящего номинала пор селективного слоя керамической мембраны на стадии ультрафильтрации картофельного сока путем проведения многофакторного эксперимента были выбраны мембраны с номиналами пор 10, 30 и 70 нм. Путем математической обработки экспериментальных данных получены уравнения для описания процесса ультрафильтрации картофельного сока в зависимости от влияющих факторов и осуществлено построение ряда графических зависимостей удельной производительности и содержания сухих веществ в фильтрате. Ключевые слова: керамическая мембрана, фильтрат, ультрафильтрация, картофельный сок, сточные воды.

При переработке некондиционного картофеля и твердых отходов, образующихся при производстве картофеле-продуктов с использованием гидроциклонной установки, получают смесь мезги с картофельным соком. Последний содержит 1,8.. .4,0 % сухих веществ и должен подвергаться очистке на очистных сооружениях.

Согласно «Правилам охраны поверхностных вод от загрязнений» (утв. Госминприроды СССР 21 февраля

1991 г.), в сточных водах (при сбросе воды в водные объекты для централизованного или нецентрализованного хозяйственно-питьевого водоснабжения), а также в водах, используемых для водоснабжения пищевых предприятий, не должны быть превышены следующие показатели: содержание сухого остатка - 1000 мг/л, биохимическая потребность в кислороде БПК5 при 20 0С - 2,0 мг/л. Запах и привкус воды по нормам СанПиН 2.1.4.559-96 - не более 2 баллов.

Традиционные методы очистки воды - биологические, адсорбционные, коагуляционные, флотационные высокозатратны и, зачастую, недостаточно эффективны. Их можно успешно заменить мембранной технологией с использованием полимерных и керамических мембран [1...6].

В опубликованных ранее работах по разделению картофельного сока [2, 3] было показано, что на стадии его ультрафильтрации рулонные полимерные элементы уступают трубчатым керамическим из-за низкой удельной производительности и малого времени эффективной работы. Также было установлено, что на отечественных керамических трубчатых мембранных элементах марки КУФЭ снижение удельной производительности происходит быстрее, чем на керамических микрофильтрационных трубчатых элементах производства компании «1порог».

Рис.1. Зависимость удельной производительности я при температуре фильтрации Т=45°С и диаметре пор мембраны с1=30 нм: а) отисходной концентрации раствора с при различном давлении, б) от давления Р при различной концентрации исходного раствора с.

Дальнейшие исследования по разделению картофельного сока на стадии ультрафильтрации проводили только на зарубежных керамических трубчатых мембранных элементах с селективным слоем из оксида титана.

Цель нашего исследования - определение наиболее подходящего номинала пор селективного слоя керамической мембраны на стадии ультрафильтрации картофельного сока.

Условия, материалы и методы. Исследования проводили с использованием мембран с тремя номиналами пор: 10, 30 и 70 нм. Выбор плана для многофакторного эксперимента и обработку данных осуществляли с помощью компьютерной программы «БТАИБ-Т1СА ACvanceC+QC 9». Планирование эксперимента проводили методом 3(к-р)- плана (план Бокса-Бенкина), который позволяет работать с четырьмя независимыми параметрами. Исследовали влияние на процесс ультрафильтрационного разделения картофельного сока следующих факторов: температуры (Т) - на уровнях 35, 45 и 550С; концентрации исходного продукта (с) - 2, 4 и 6 %; трансмембранного давления (Р) - 3, 4 и 5 атм.; диаметра пор (С) - 10, 30 и 70 нм. За критерии оптимизации выбраны содержание сухих веществ ультрафильтрата (СВ, %) и удельная производительность по ультрафильтрату (я, л/м2ч). По выбранному плану для че-тырехфакторного эксперимента требовалось провести 27 опытов. Исследования выполняли на стендовой пилотной мембранной установке контурного типа с непрерывным отбором фильтрата (ГНУ ВНИИ крахмалопродуктов).

Процесс осуществляли в режиме максимального концентрирования раствора. Контроль проводили по

следующим параметрам: давление, температура, производительность по фильтрату с помощью соответственно манометра, контактного термометра и расходомера. Для каждого опыта брали 10 л картофельного сока. В процессе эксперимента исходный модельный раствор разделяли мембраной на два потока: пермеат (фильтрат) и концентрат. Пермеат выводился из установки, а концентрат направлялся в исходный резервуар.

После каждого эксперимента проводили регенерацию элементов путём промывки кислотно-щелочными растворами с замером удельной производительности мембранного элемента на дистиллированной воде для оценки степени регенерации мембраны.

Результаты и обсуждение. На стадии ультрафильтрации происходит концентрирование в резервуаре всех взвешенных частиц и белковой составляющей разбавленного картофельного сока. Фильтрат с двух типов мембран получается прозрачным и имеет светло-коричневый цвет.

По результатам эксперимента была составлена таблица для расчета оптимизационных параметров по плану 3(к-р) и определения наиболее значимых факторов, влияющих на их величины.

Обработка полученных данных позволила вывести следующее уравнение для расчета удельной производительности по фильтрату:

q = -358,85 + 0,207 • Т + 54,13 • с - 4,89 с2 + 122,05 • Р -12,924 • Р2 + 2,841 • б - 0,0204 • б2 + 0,0247 • Т • б - 0,744 • с • б

На ее основании возможно построение ряда графических зависимостей для характеристики процесса ультрафильтрации картофельного сока и определения параметров, при которых он наиболее эффективен.

Так, повышение давления не приводит к постоянному росту удельной производительности (рис. 1). Расчетным путем было определено, что оптимальная величина этого показателя для проведения ультрафильтрации - 4,7 атм. При этом достигается определенное равновесие между образованием и удалением слоя геля в результате влияния турбулентности потока на поверхности селективного слоя мембраны.

Увеличение удельной производительности по пер-меату при росте температуры (рис. 2), на наш взгляд, объясняется снижением вязкости продукта, а снижение содержания в фильтрате СВ при росте концентрации исходного раствора и рабочего давления - увеличением толщины слоя концентрационной поляризации (рис. 3).

Оптимальная температура проведения процесса 45 °С выбрана, исходя из свойств продукта, поскольку картофель-

Рис. 2. Зависимость удельной производительности от температуры проведения процесса ультарфильтрации на керамической мембране «Inopor GmbH» d=30 нм при различной концентрации картофельного сока и постоянном давлении 4,7 атм.

Рис. 3. Зависимость концентрации СВ пермеата от температуры проведения процесса ультрафильтрации на керамической мембране «Inopor GmbH» d=30 нм при различном давлении и концентрации исходного продукта 3,5% СВ.

ный сок содержит нерастворимый белок, который может коагулировать при температурах более 50 °С.

Формула расчета значений концентраций сухихвеществ фильтрата имеет следующий вид:

CB = -0,36 + 1,052 • c - 0,0544 • c2 + 0,0221 • d2 -0,00219 • T • P - 0,00394 • c • d

Коэффициент корреляции приведенного уравнения (r=0,977) свидетельствует о достаточно хорошем описании экспериментальных данных зависимости концентрации СВ в пермеате (фильтрате) от влияющих факторов.

При увеличении концентрации исходного продукта содержание сухих веществ в фильтрате также увеличивается и в дальнейшем выходит на плато 3,7 %. Помимо этого, с ростом рабочего давления наблюдается определенное снижение сухих веществ в фильтрате, что, на наш взгляд, объясняется увеличением толщины слоя концентрационной поляризации, который служит динамической мембраной и увеличивает селективность, но значительно снижает скорость фильтрации.

Полученные уравнения (1) и (2) позволяют с использованием программы Mathematica 8.0.4. провести оптимизацию процесса ультрафильтрации, то есть определить значения влияющих факторов, при которых достигается максимальная удельная производительность процесса при допустимом содержании сухих веществ в фильтрате

Рис. 4. Зависимости диаметра пор мембраны, при котором достигается максимальная удельная производительность и значения максимальной удельной производительности от концентрации сухих веществ в исходном растворе, при содержании СВ в пермеате <3,5 % (температура фильтрации Т=45 °С,

рабочее давление Р=4,7 атм.):---диаметр пор мембраны

d, нм; • - удельная производительность q, л/м2 ч.

(не более 3,5 %). В результате исследований мы установили, что при концентрации СВ исходного раствора с=4 % максимальная производительность достигается при диаметре пор мембран порядка 25...30 нм и составляет 121 л/м2ч (рис. 4).

Выводы. В результате проведенных исследований по оптимизации процесса ультрафильтрации картофельного сока на трубчатых керамических мембранах фирмы «Inopor GmbH» при помощи многофакторного эксперимента по плану 3(k-p) были получены уравнения позволяющие с достаточно высокой степенью точности (r>0,977) определять удельную производительность и содержание СВ в пермеате при ультрафильтрации картофельного сока в зависимости от влияющих факторов.

Полученные уравнения позволяют провести оптимизацию процесса ультрафильтрации с целью достижения максимальной удельной производительности и допустимого содержания сухих веществ в пермеате.

Разработанная математическая модель многофакторного эксперимента позволяет прогнозировать величины изученных параметров.

Литература.

1. Дытнерский Ю. И. Обратный осмос и ультрафильтрация. - М.: Химия, 1978. — 352 с.

2. Лазарев С. И. Ультрафильтрационное разделение водных растворов крахмалопаточных производств // Изв. вузов. Пищ. технология. - 2000. - №1. - С. 91- 93.

3. Волков Н. В., Лукин Н. Д. Исследование процесса ультрафильтрации кукурузного экстракта с использованием керамических мембран // Сборник докладов конференции-конкурса научно-инновационных работ молодых учёных и специалистов за 2008 г. (4 декабря 2008 г.). - ВНИИМП РАСХН. - С. 151-155.

4. Волков Н. В., Лукин Н. Д., Кудряшов В.Л. Application of membrane technology for separation and purification of starch and starch containing hydrolysates // Сборник Международной научно-практической конференции «XVIII International Starch Convention» 21-25 июня 2010. - Краков, 2010. - С. 78-79.

5. Волков Н. В., Лукин Н. Д. Изучение процесса мембранной очистки сточных вод, образующихся при переработке твердых и жидких отходов картофеля на крахмал в производстве картофелепродуктов // Материалы 4-ой конференции молодых ученых и специалистов Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции РАСХН «Научно-инновационные технологии как основа продовольственной безопасности Российской Федерации». - М., 2011. - С. 18-22.

6. Н.В. Волков, Н.Д. Лукин, Л.В. Кривцун. Применение мембранной технологии для очистки и концентрирования разбавленного картофельного сока //Достижения науки и техники АПК. - 2011.-№ 11. - с.79-80

OPTIMIZATION OF POTATO JUICE FILTRATION USING CERAMIC MEMBRANES N.V. Volkov, N.D. Lukin, L.V. Krivtsun

Summary. Three membranes with nominal of pores: 10 nm, 30 nm and 70 nm were selected in order to determine suitable nominal of pores of selective layer of ceramic membranes at ultrafiltration stage of potato juice by carrying out multi-factor experiments. Using mathematical processing of experimental data the equations were derived to describe ultrafiltration of potato juice depending on affecting factors and construction of series of graphic dependences of the specific production and dry substances content of the filtrate were performed. Key words: ceramic membranes, filtrate, ultrafiltration, potato juice, sewages.