Технологія розділення мембран у харчовій промисловості
Джейн Страттон
Мембранна технологія використовується у спеціалізованих галузях харчової промисловості вже більше 30 років. Ця технологія може бути застосована до декількох методів виробництва, включаючи відділення твердих речовин молока в молочній промисловості, освітлення та концентрування соків, концентрацію сироваткового білка, очищення цукру та води та управління відходами. Існує кілька середовищ для фільтрації, а також багато типів мембранних конфігурацій. Знання різних мембранних технологій та того, як вони використовуються у харчовій промисловості, може збільшити загальне виробництво та пропонує варіанти зниження витрат для різноманітних сепарацій.
Основи мембрани
Розділення базується на принципах, які покладаються на хімічні та фізичні властивості частинок і молекул. Наприклад, центрифугування використовує фізичну властивість ваги, щоб відокремити тверді речовини від рідин. Інший приклад, іонний обмін, спирається на принцип заряду, щоб відокремити різні види один від одного. Інші принципи, такі як тиск пари, розчинність та дифузія, також можуть проводити поділ. Мембрани використовують принцип розміру для розділення різних матеріалів. [1]
Мембранні фільтри - це дуже тонкі мікропористі листи плівки, прикріплені до більш товстої пористої опорної структури. В основному мембрана служить ситом, відокремлюючи тверді речовини від рідин, що протікають через неї. Мембрани не тільки можуть відокремлювати тверді речовини від рідин, вони можуть відокремлювати розчинні молекули та іонні частинки різного розміру одна від одної.
Мембрани в переробній промисловості використовують тангенціальну фільтрацію потоку або поперечну фільтрацію. При тангенціальній фільтрації потоку (TFF) потік подаваного потоку проходить паралельно поверхні мембрани з високими швидкостями, як показано на малюнку 1.
Коли рідина проходить через поверхню мембрани, вона діє, щоб змітати затримані компоненти або утримуватися з поверхні мембрани та назад у об'ємний розчин, щоб уникнути закупорювання пор [2]. Це протиставляється традиційній наскрізній або тупиковій фільтрації, при якій подається потік тече перпендикулярно до поверхні мембрани, метою якої є утворення сухого пирога. У TFF фракція, що містить розчинені речовини та компоненти з нижчою молекулярною масою, які можуть проходити через мембрану, відома як пермеат. Ретентат постійно циркулює, проходячи поверхню мембрани, поки не буде досягнутий бажаний ефект, такий як концентрація або освітлення бажаного продукту. Швидкість проникнення відома як потік і вказує на ефективність мембрани. [3]
Операції TFF можуть виконувати як концентрацію, так і освітлення. У концентрації мембрана зберігає бажаний продукт, а рідина видаляється у вигляді пермеату. Ретентат стає все більш концентрованим у міру видалення пермеату. При освітленні бажаний продукт проходить крізь мембрану і збирається у вигляді пермеату, можливо, залишаючи в ретентаті нерозчинні матеріали або інші небажані сполуки. Як операції концентрування, так і освітлення широко використовуються у харчовій промисловості, насамперед для переробки соків та інших напоїв. [4]
Мембранна конструкція
Мембрани виготовляються з безлічі різних видів матеріалів. Спочатку мембрани зворотного осмосу та ультрафільтрації були на основі целюлози, але зараз виготовляються з полімерів на основі технічних пластмас. [5] Типові матеріали включають поліакрилонітрил (ПАН) та суміші ПАН з полівінілхлоридом (ПВХ), ароматичною поліамідом та фторидом полівінілідену (ПВДФ). [5,6] Сьогодні більшість полімерних мембран, що використовуються в харчовій промисловості, виготовляються з полісульфону (ПС ) або поліефірсульфону (ПЕС). [5,6] Як вимагає інше технологічне обладнання в харчовій промисловості, всі мембранні поверхні, підкладки, розпірки та опорні конструкції, які контактують з харчовими продуктами, повинні відповідати Розділу 21, Частина 177, Кодекс федеральних правил, загальновизнаний як безпечний (GRAS) або затверджений FDA іншим чином для контакту з продуктами харчування. [5] Матеріали також вибираються завдяки своїй очищуваності та здатності протистояти різним умовам, за яких вони можуть виконуватись.
Мембрани можна розділити на чотири основні категорії: зворотний осмос (RO), нанофільтрація (NO), ультрафільтрація (UF) та мікрофільтрація (MF). [5] Кожна з цих категорій відрізняється розмірами виду, який вони зберігають. Утримання засноване на розмірі пор мембрани. Діапазон розмірів частинок, при яких працює кожен з них, проілюстрований на малюнку 2.
Зворотний осмос має найщільнішу конструкцію пор і може розділятися в іонному діапазоні. Нанофільтрація, нова категорія мембран, працює подібно до зворотного осмосу, але має дещо більш пухку конструкцію, дозволяючи проходити одновалентним іонам і деяким двовалентним іонам. Ультрафільтрація використовується для розділення молекул різного розміру, таких як білки та інші макромолекули. Мікрофільтраційні мембрани мають найбільший розмір пор у всіх категоріях і в основному використовуються для видалення зважених твердих речовин та бактерій. [6] Ще однією відмінністю цих типів фільтрації є тиск, при якому вони діють. RO мембрани працюють до 1500 фунтів на квадратний дюйм, NO мембрани працюють до 300 фунтів на квадратний дюйм, UF мембрани працюють від 10 до 200 фунтів на квадратний дюйм, тоді як мембрани MF працюють в діапазоні від 1 до 25 фунтів на квадратний дюйм. [4] Різниця в розмірах пор між мембранами визначає робочий тиск. Більш високий тиск необхідний для протікання рідини через мембрани з меншими розмірами пор.