Закономерности концентрирования творожной сыворотки методом нанофильтрации

Арсенал методов переработки молочной сыворотки достаточно широк, однако при выборе того или иного решения, возникает вопрос о прибыльности данного метода. Помимо стоимости оборудования, большое значение имеет его энергоэффективность, надёжность, легкость управления и качество конечного продукта. Наиболее перспективные технологии переработки молочной сыворотки основаны на мембранных методах разделения. Технологии микрофильтрации, ультрафильтрации и обратного осмоса хорошо зарекомендовали себя в данной сфере. Однако ни творожная сыворотка, нанофильтрация, концентрирова-

один из этих методов не в силах решить сразу три основные проблемы, связанные с переработкой творожной сыворотки: низкое содержание сухих веществ, высокая минерализованность, высокая кислотность. Данное обстоятельство обуславливает необходимость применения рациональных технологий концентрирования, деминерализации и раскисления. Анализируя данную ситуация, нельзя не обратить внимание на новый баромембранный метод разделения растворов — нанофильтрацию, главными достоинствами которого являются: высокая экономичность концентрирования и эф- фект частичной деминерализации при обработке сыворотки. Высокая проницаемость нанофильтрационных мембран для одновалентных солей и низкая для органических веществ и ценных многовалентных солей выгодно отличает данный метод. Нанофильтрация занимает промежуточное положение между обратным осмосом и ультрафильтрацией. Давление при нанофильтрации колеблется от 5 до 40 бар, а размер пор от 0,5 до 10 нм [1].

Современные исследования в сфере нанофильтрации сыворотки, по большей части связаны с переработкой подсырной сыворотки, в то время как информация о нанофильтрации творожной сыворотки, практически отсутствует.

В связи с этим были поставлены следующие задачи: установить основ- ные закономерности концентрирования творожной сыворотки методом нанофильтрации и определить оптимальные условия проведения процесса.

Был исследован процесс нанофильтрации сыворотки, полученной на ФГУП УОМЗ ВГМХА имени Н.В. Верещагина при производстве творога обезжиренного ГОСТ Р 52096-2003. Средние значения основных технологических параметров сыворотки представлены в таблице 1.

Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 1.

Характеристики установки и нано-фильтрационной мембраны представлены в таблице 2.

Фактор сжатия определялся как отношение между первоначальным и конечным объемом продукта в баке:

Таблица 1. Основные технологические параметры творожной сыворотки

Рисунок 1. Схема экспериментальной нанофильтрационной установки

Параметр                          Значение

Массовая доля сухих веществ, %	6,0
Массовая доля минеральных веществ, %	0,6
Титруемая кислотность, °Т	65
Активная кислотность, ед рН	4,5
Электропроводность, мСм/см	8,7

1 – продуктовый бак

2,3 – ручной клапан

4 – насос

5 – предохранительный клапан

6,9 – манометр

7 – мембранный модуль

8 – расходомер

10 – игольчатый вентиль

11 – термометр

12 – теплообменник

Таблица 2. Характеристики нанофильтрационной установки

Мембрана
изготовитель:	Владипор
материал:	Полипитеразинамид
марка:	РН 33 Н
активная площадь S, м 2	2
температура, °С	£ 40
давление P, бар	£ 25
Установка
Объем бака, V	50л
Насос:	CAT PUMP, 311
мощность	2,2 кВт
расход	900л/ч

15 20 25 30 35 40 45Температура. °C

Рисунок 2. Зависимость давления начала фильтрации от температуры

Рисунок 3. Зависимость удельной скорости фильтрации от давления при фиксированных значениях температуры

N =

V 0

( V о - V o )

Давление, температура, электропроводность и скорость фильтрации регистрировались соответственно манометром, термометром, кондуктометром и расходомером. Все графики построены по усреднённым значениям пяти экспериментальных выработок, максимальное отклонение от средних значений не превышало 5 %.

В первую очередь была определена величина давления начала фильтрации от температуры, т. е. минимальное дав- ление, необходимое для перехода процесса нанофильтрации в рабочий режим.

Как показано на рисунке 2, давление начала фильтрации существенно снижается (с 7 бар до 4,4) при повышении температуры. Также повышение температуры оказывает положительное влияние на скорость фильтрации и, следовательно, производительность процесса (рис. 3.) во всем диапазоне давлений. Как и ожидалось, наилучшие динамические характеристики были получены при температуре 40 °С и давлении 25 бар. Следует отметить, что повышение температуры с 20 до 40 °С дает увеличение скорости фильтрации

Фактор объемного сжатия, N при t = 40°С и Р = 25 бар

Рисунок 4. Зависимость скорости фильтрации от фактора объемного сжатия

Время т, мин при t = 40°С и Р = 25 бар

Рисунок 5. Зависимость скорости фильтрации от длительности процесса нанофильтрации практически в 1,5 раза, при давлении 25 бар. Зависимость удельной скорости фильтрации от фактора объемного сжатия показана на рисунке 4. По мере концентрирования сыворотки, скорость фильтрации снижается, вследствие нарастания вязкости и плотности продукта, а также ввиду увеличения концентрационной поляризации.

На рисунке 5 представлена зависимость удельной скорости фильтрования от времени, которая носит практически прямопропорциональный характер. По окончании процесса был получен концентрат с содержанием сухих веществ 20 %.

Исходя из вышеизложенного, следует: повышение температуры улучшает энергетические и динамические характеристики процесса нанофильтрации; обработка при температуре 40 °С и давлении 25 бар является наиболее целесообразной; при достижении фактора объемного сжатия 3,5–4 процесс следует завершить.