De Jayne Stratton

industria

Tehnologia membranelor este folosită în aplicații specializate în industria alimentară de mai bine de 30 de ani. Tehnologia poate fi aplicată mai multor metode de producție, inclusiv separări de lapte-solide în industria laptelui, clarificarea și concentrarea sucurilor, concentrația de proteine ​​din zer, purificarea zahărului și a apei și gestionarea deșeurilor. Există mai multe medii de filtrare, precum și multe tipuri de configurații de membrană. Cunoașterea diferitelor tehnologii de membrană și modul în care acestea sunt utilizate în industria alimentară pot spori producția generală și pot oferi opțiuni de reducere a costurilor pentru o varietate de separări.

Bazele membranei
Separarea se bazează pe principii care se bazează pe proprietățile chimice și fizice ale particulelor și moleculelor. De exemplu, centrifugarea folosește proprietatea fizică a greutății pentru a separa solidele de lichide. Un alt exemplu, schimbul de ioni, se bazează pe principiul sarcinii pentru a separa diferite specii unele de altele. Alte principii precum presiunea vaporilor, solubilitatea și difuzia pot efectua, de asemenea, separări. Membranele folosesc principiul dimensiunii pentru a separa diferite materiale. [1]

Filtrele cu membrană sunt folii microporoase foarte subțiri de film atașate la o structură de suport poroasă mai groasă. Cel mai de bază, o membrană servește ca sită, separând solidele de lichidele forțate prin ea. Nu numai membranele pot separa solidele de lichide, ci pot separa moleculele solubile și particulele ionice de dimensiuni diferite una de alta.

Membranele din industria proceselor utilizează filtrarea cu flux tangențial sau filtrarea cu flux transversal. În filtrarea cu flux tangențial (TFF) fluxul fluxului de alimentare se desfășoară paralel cu suprafața membranei la viteze mari, așa cum este ilustrat în figura 1.

Pe măsură ce fluidul trece pe suprafața membranei, acționează pentru a mătura componentele reținute sau a se retenta de pe suprafața membranei și înapoi în soluția în vrac pentru a evita înfundarea porilor [2]. Acest lucru este opus filtrării tradiționale prin curgere sau prin impas, în care fluxul de alimentare curge perpendicular pe suprafața membranei, al cărei obiect este să formeze o prăjitură uscată. În TFF, fracția care conține substanțele dizolvate și componentele cu greutate moleculară mai mică care pot trece prin membrană este cunoscută sub numele de permeat. Retentatul este recirculat continuu, trecând peste suprafața membranei până când se obține efectul dorit, cum ar fi concentrația sau clarificarea unui produs dorit. Rata de permeabilitate este cunoscută sub numele de flux și oferă o indicație a performanței membranei. [3]

Operațiunile TFF pot efectua atât aplicații de concentrare, cât și aplicații de clarificare. În concentrație, membrana reține produsul dorit și lichidul este îndepărtat ca permeat. Retentatul devine din ce în ce mai concentrat pe măsură ce permeata este îndepărtată. În aplicații de clarificare, produsul dorit trece prin membrană și este colectat ca permeabil, lăsând poate materiale insolubile sau alți compuși nedoriti în retentat. Atât operațiunile de concentrare, cât și cele de clarificare sunt utilizate pe scară largă în industria alimentară, în primul rând pentru procesarea sucurilor și a altor băuturi. [4]

Construcția membranei
Membranele sunt fabricate din mai multe tipuri diferite de materiale. Inițial, membranele de osmoză inversă și ultrafiltrare erau bazate pe celuloză, dar sunt acum fabricate din polimeri pe bază de materiale plastice tehnice. [5] Materialele tipice au inclus poliacrilonitril (PAN) și amestecuri de PAN cu clorură de polivinil (PVC), poliamidă aromatică și fluorură de poliviniliden (PVDF). [5,6] Astăzi, majoritatea membranelor polimerice utilizate în industria alimentară sunt fabricate din polisulfonă (PS ).) sau polietersulfonă (PES). [5,6] Așa cum este cerut de alte echipamente de prelucrare din industria alimentară, toate suprafețele membranei, suporturile, distanțierii și structurile suport care intră în contact cu produsele alimentare trebuie să îndeplinească titlul 21 partea 177, din Codul de reglementări federale, în general recunoscut ca sigur (GRAS), sau aprobat în alt mod de FDA pentru contactul cu alimente. [5] Materialele sunt, de asemenea, alese pentru curățenia și capacitatea lor de a rezista la o varietate de condiții în care ar putea funcționa.

Membranele pot fi împărțite în patru categorii de bază: osmoză inversă (RO), nanofiltrare (NO), ultrafiltrare (UF) și microfiltrare (MF). [5] Fiecare dintre aceste categorii se distinge prin mărimea speciilor pe care le păstrează. Retenția se bazează pe dimensiunea porilor membranei. O serie de dimensiuni ale particulelor la care operează fiecare dintre acestea este ilustrată în figura 2.

Osmoza inversă are cea mai strânsă construcție a porilor și se poate separa în domeniul ionic. Nanofiltrarea, o categorie mai nouă de membrane, funcționează similar cu osmoza inversă, dar are o construcție oarecum mai slabă, permițând trecerea ionilor monovalenți și a unor ioni divalenți. Ultrafiltrarea este utilizată pentru a separa molecule de dimensiuni diferite, cum ar fi proteinele și alte macromolecule. Membranele de microfiltrare au cele mai mari dimensiuni ale porilor din toate categoriile și sunt utilizate în principal pentru îndepărtarea solidelor suspendate și a bacteriilor. [6] O altă diferență între aceste tipuri de filtrare este presiunea la care funcționează. Membranele RO funcționează până la 1.500 psi, membranele NO funcționează până la 300 psi, membranele UF funcționează de la 10 la 200 psi, în timp ce membranele MF funcționează în intervalul de la 1 la 25 psi. [4] Diferențele de mărime ale porilor între membrane determină presiunea de funcționare. Sunt necesare presiuni mai mari pentru a forța lichidul prin membrane cu dimensiuni mai mici ale porilor.

Fundație de filtrare
Proiectarea modulului sau structura de susținere a unei membrane este esențială pentru performanța acesteia. Unii factori care trebuie luați în considerare includ fluxul (rata de permeabilitate), conținutul de solide al fluidului de proces, costul, curățenia și scalabilitatea. Aplicațiile din industria alimentară utilizează patru modele de bază: sisteme înfășurate în spirală, tubulare, cu fibre goale și sisteme cu placă și cadru.

Rană în spirală membranele acoperă mai mult de 60% din aplicațiile din industria alimentară, în principal pentru prelucrarea produselor lactate și a altor proteine ​​solubile, concentrația gumei polizaharidice și în majoritatea aplicațiilor RO și NO. [5] Figura 3 prezintă o schemă a designului înfășurat în spirală. Fluidul este pompat în canalul distanțier paralel cu suprafața membranei și permeatul trece prin membrană și într-un canal de permeat poros până ajunge la un tub perforat în centru care acționează ca un purtător de permeat.

Deși rezistența la murdărire este bună, aceste membrane au dificultăți în manipularea materialului vâscos sau a materialului cu un conținut ridicat de solide.

Sisteme tubulare reprezintă aproximativ 10% până la 15% din aplicațiile din industria alimentară. [5] Modelele tubulare au o structură exterioară poroasă cu o acoperire cu membrană semipermeabilă pe interiorul tubului. Așa cum se vede în figura 4, modulul constă dintr-o colecție de tuburi fixate împreună la fiecare capăt și încastrate într-un modul. [6]

Învelișul modulului colectează permeate în timp ce descărcările retentate la sfârșit. Proiectele tubulare sunt ușor de curățat și pot fi inspectate vizual. [5] Pot manipula lichide cu conținut ridicat de solide și particule suspendate mai mari mai bine decât unele dintre celelalte modele de membrane. Cu toate acestea, zona membranei este de obicei mică. Membranele tubulare sunt potrivite pentru clarificarea băuturilor sau pentru osmoza inversă a sucurilor care conțin pulpă. [5]

Placă și cadru și fibre goale sistemele se numără printre configurațiile diverse care alcătuiesc procentul rămas de modele utilizate în aplicațiile din industria alimentară. [5] În stilurile cu placă și cadru, membranele cu foi plate sunt atașate pe ambele părți ale unei plăci poroase și inserate într-un suport. Așa cum este indicat în figura 5, fluxul de alimentare intră în sistem și este direcționat prin mai multe canale pentru a mătura peste suprafața membranei.

Fluidul curge din aceste canale în aceeași linie de ieșire și pleacă ca retentat. Permeata trece prin membrană în canale separate de retentat și pleacă ca permeat. Mai multe membrane și suporturile lor pot fi stivuite împreună în suport pentru a crește suprafața totală a membranei. Avantajul acestui sistem este că, dacă o membrană eșuează, de obicei poate fi înlocuită la un cost redus. De asemenea, sistemele cu plăci și cadre oferă o diversitate sporită. Odată ce costul de capital inițial pentru achiziționarea hardware-ului este realizat, o varietate de membrane pot fi utilizate în ele. De exemplu, atât procesele de ultrafiltrare, cât și cele de microfiltrare pot fi realizate pe aceeași unitate prin schimbarea membranelor corespunzătoare. Sistemele cu placă și cadru au fost utilizate pentru dezalcoolizarea berii în Europa și Australia și au fost utilizate și pentru unele aplicații cu concentrație de viscozitate ridicată în industria produselor lactate. [5]

Membranele cu fibre goale sunt similare cu membranele tubulare, cu excepția faptului că fibrele goale sunt mult mai mici. Diametrul interior al fibrei poate varia de la 0,5 la 1,1 mm spre deosebire de 12,5 până la 25 mm pentru designul tubular. [3] Fluxul de alimentare curge prin interiorul fibrelor și permeatul este colectat în învelișul de izolare. Elementele din fibre goale pot avea sute de fibre orientate în paralel. Acest lucru permite o densitate mare de ambalare și rezistență la blocarea canalelor de curgere. De asemenea, această membrană poate fi spălată înapoi pentru a ajuta la curățare. Cu toate acestea, rezistența fibrelor este o limitare și trebuie utilizate presiuni transmembranare scăzute pentru a evita spargerea fibrelor. Întregul element trebuie aruncat dacă se rupe chiar și o fibră. [3]

Osmoza inversa
Osmoza inversă a devenit un proces standard în industria alimentară. Se folosește pentru purificarea apei pentru operațiunile plantelor, pentru concentrarea proteinelor din zer din brânză sau a laptelui în industria produselor lactate, pentru concentrarea zahărului în industria de prelucrare a cerealelor, pentru concentrarea sucurilor și pentru tratarea apelor uzate în industria prelucrării cărnii și peștelui. [3, 4,5,7] Osmoza inversă merită un aspect deosebit datorită adecvării sale pentru o mare varietate de aplicații.

Osmoza naturală este un fenomen în care un lichid trece printr-o membrană semipermeabilă dintr-o soluție diluată în una mai concentrată. În osmoza inversă, presiunea este aplicată soluției mai concentrate forțând apa să curgă către soluția diluată, așa cum se arată în figura 6.

În acest proces, apa de refuz este de obicei 30% până la 50% din debitul de alimentare. [8] Astfel, la o eficiență maximă, fiecare 100 de litri de apă care intră în sistem ar produce 50 de litri de apă purificată. RO contribuie la economisirea companiilor atât de energie, cât și de apă, contribuind la limitarea etapelor de evaporare sau prin tratarea fluxurilor de apă uzată.

Multe alimente necesită îndepărtarea unor cantități mari de apă pentru a concentra produsul pentru o ambalare sau o expediere mai eficiente. [3] Deși evaporarea este comună, necesită cantități substanțiale de energie necesară în comparație cu RO. In Statele Unite ale Americii. numai industria de măcinare umedă a porumbului consumă numai 93,7 trilioane Btu/an, ceea ce este egal cu 90% din energia consumată în operațiile de măcinare a cerealelor. [7] Cantitatea de apă evaporată în această industrie este de aproximativ 35 miliarde lb/an pentru apa abruptă și de aproximativ 12 miliarde lb/an pentru apa proaspătă. [7] Energia necesară pentru RO este de aproximativ 110 kJ/kg apă versus 700 kJ/kg pentru cel mai eficient evaporator, rezultând economii substanțiale. [7]

Apele uzate sunt o problemă în orice industrie. Reducerea nivelului de solide dizolvate și a cererii biologice de oxigen (DBO) este uneori singurul mod în care instalațiile de procesare pot descărca apa în siguranță. De asemenea, îndepărtarea solidelor dizolvate din apă permite reutilizarea acesteia, ceea ce nu numai că reduce consumul de apă, ci și cantitatea care este evacuată. [4] Solidele colectate pot fi, de asemenea, recuperate dacă sunt de valoare. De exemplu, un sistem RO poate recupera proteine, zaharuri și enzime din apele uzate care pot fi refolosite în cadrul operațiunilor plantei.

Tehnologia membranelor a avut un impact extraordinar asupra industriei alimentare în ultimii ani. Separarea materialelor pentru diferite aplicații a devenit o operațiune industrială importantă. În continuare se fac progrese considerabile în tehnologia membranelor și se descoperă aplicații mai noi pentru sistemele existente, deoarece tendința este de a crea sisteme integrate care utilizează mai multe tipuri diferite de membrane în cadrul unui proces.