Использование мембранного концентрирования пектина

Мембранные процессы разделения жидких смесей — обратный осмос, ультра- и микрофильтра­ция — сегодня стали уже основными во многих производственных технологиях в пищевой, пере­рабатывающей, медицинской и биотехнологической отраслях промышленности.

• осуществление процесса при нормальных температурах;

• исключение потребления реагентов;

• возможность одновременного фракционирования, концентрирования и очистки продуктов;

• простота оборудования и управления им;

• широкий ассортимент полупроницаемых мембран для любых продуктов, независимо от их химической природы и молекулярной массы.

Вместе с тем для успешной реализации мембранного разделения необходимо выполнить ряд требований и учесть ряд ограничений:

• существует предел концентрирования растворов, определяемый их вязкостью;

• большинство мембран теряют свои разделительные свойства при высоких температурах:

• мембраны не терпят присутствия в разделяемых растворах гетерогенных примесей;

• время от времени мембранную поверхность необходимо регенерировать, снимая с нее слой задерживаемых мембраной компонентов раствора.

После окончания процесса гидролиза в производстве пектина мы имеем гетерогенную смесь сле­дующего состава: отработанное сырье с концентрацией около 6 % массовых; пектин с концентра­цией 0,7 %; низкомолекулярные вещества (углеводы, пигменты, органические кислоты) с конце­нтрацией 0,3 % , минеральные компоненты с концентрацией 0,1 %.

Частицы отработанного сырья имеют очень широкое распределение по размеру — от 10 мм до нес­кольких микрометров. Молекулярная масса пектина укладывается в интервал 40 000-100 000 Да, мо­лекулярные массы органических и минеральных балластных компонентов не превышают 1000 Да.

Готовый сухой продукт должен иметь чистоту не менее 95 % , т.е. может содержать не более 5 ”/< от общей массы всех перечисленных компонентов, которые таким образом являются для него заг рязнителями.

Учитывая перечисленные выше ограничения для мембранного разделения, нам необходимо ре шить следующие задачи:

• выделить отработанное сырье;

• осветлить образовавшуюся жидкую фазу до состояния необходимой прозрачности;

• отмыть низкомолекулярные загрязнения;

• сконцентрировать оставшийся в растворе пектин.

Выделение отработанного сырья. На этой стадии необходимо добиться двух эффектов: 1 — по лучить как можно более чистый раствор, что упростит и удешевит последующую стадию осветле­ния; 2 — получить как можно менее влажный сгусток отработанного сырья, что уменьшит потери пектина и сократит будущие расходы на утилизацию твердых отходов производства.

При замачивании сухого сырья происходит его набухание. Физико-химически это означает гидратацию молекул компонентов сырья, когда молекулы воды формируют гидратные оболочки диссоциированных функциональных групп. Механизм взаимодействия основан на водородных связях, энергия которых довольно велика, поэтому воду, попавшую в гидратные оболочки, называют «связанной водой». Удалить ее из набухшего сырья можно лишь высокоэнергетичес кими методами.

Пектинсодержащее сырье богато высокомолекулярными веществами: белками, углеводами, липидами. Основу составляет целлюлоза. Все эти вещества относятся к набухающим коллоидам и могут связывать до 250% воды к массе сухого сырья.

Естественно, на стадии выделения отработанных выжимок могут быть использованы лишь гид­ромеханические способы — сцеживание, фильтрование, отжим и центрифугирование. «Связан­ная» вода при этом остается в сгустке, уходит лишь свободная вода, заполняющая пустоты в порис­той структуре частиц сырья. Поэтому можно приблизительно оценить предельную величину оста­точной влажности, к которой следует стремиться при выборе способа разделения — это 65-70 %, т.е. на 1 кг сухого сырья не менее 2,3 кг воды. Пропорционально этому будет увеличиваться и мас­са, и объем сгустка по сравнению с сухим сырьем.

С точки зрения потерь продукта с влажным сгустком, надо отметить следующее: высвобож­денный и приобретший растворимость в результате гидролиза пектин в процессе экстракции пере­ходит в объемную воду.

Эффективным способом сгущения отработанного сырья с получением достаточно чистого рас­твора является центрифугирование. Процесс проводят в центрифугах с горизонтальным располо­жением вала — декантерах (рис. 10).

В основе их работы лежит идея отстойника, интенсифицируемого центробежной силой. Работа декантера протекает следующим образом. Исходный продукт поступает в цилиндроконический ба­рабан системы через центральную трубу, входящую в полый вал шнека. После выхода из трубы ис­ходный продукт распределяется по барабану, вовлекается во вращение и плавно ускоряется до максимальной частоты вращения. Под действием высокой центробежной силы, достигающей зна­чений 3000 g и более, частицы твердой фазы оседают на внутренней стенке и непрерывно продви­гаются шнеком в коническую часть барабана. Транспортирующая способность шнека определяет­ся разностью частот вращения между шнеком и барабаном.

Разделение исходного продукта происходит по всей длине цилиндрической части барабана, при этом осветленная жидкая фаза выходит из цилиндрического торца через регулировочные кольца.

После ферментативного гидролиза на декантерах удается получить сгусток с влажностью 65 % и раствор с содержанием взвесей не более 1 %. Те же параметры после кислотного гидролиза сос­тавляют 70 % и 3 % . Это объясняется глубокой деградацией частиц сырья в сильно кислой среде,

Рис. 11. Схема подключения напорного намывного фильтра Обозначения в тексте

что органолептически определяется как увеличенная слизистость, аморфность частиц и отсутствие структурности сгустка.

Осветление раствора. Под осветлением раствора понимается очистка его от твердых взве­шенных и коллоидных микрочастиц с размером более 5 мкм.

Исходя из этих требований, лучшим процессом осветления является намывная фильтрация или фильтрация с предварительным формированием фильтрующего слоя из инертного порошкового материала. Она широко распространена в пищевых и биотехнологических производствах.

В качестве инертного материала обычно используют кизульгур-диатомитовую землю, состо­ящую из измельченных окаменелых водорослей и не содержащую вымываемых органических компонентов.

Намывное фильтрование проводится в несколько этапов, а узел фильтрования представляет со­бой небольшую технологическую установку, схема которой представлена на рис. 11.

Процесс фильтрования осуществляется следующим образом: в емкости 1, снабженной пропел­лерной мешалкой, приготавливается суспензия кизельгура. Насосом 2 суспензия подается в фильтр 3 и по возвратной линии, снабженной манометром 4 и регулирующим вентилем 5, возвра­щается в емкость 1. По мере перекрывания вентиля 5 начинается и усиливается нафильтровыва- ние кизельгура на дренаж фильтра 3. Фильтрат (чистая вода) через трубопровод с вентилем 6 воз­вращается в емкость 1, постепенно разбавляя суспензию кизельгура.

После исчерпания кизельгура закрывают вентиль 7 и открывают вентиль 8, насос 2 начинает подавать очищаемую жидкость из емкости 9 на фильтрование. Фильтрат по трубопроводу с венти­лем 10 собирают в сборной емкости 11. Осадок накапливается на слое кизельгура и вместе с ним пе­риодически сбрасывается в бункер. После этого процесс повторяется.

При использовании в качестве дренажа металлической нержавеющей сетки с ячейкой 70 мкм степень очистки раствора от взвесей составляет 92-95% , потери пектина не фиксируются.

Отмывка низкомолекулярных загрязнений и концентрирование продукта. Дальнейший процесс очистки и концентрирования раствора пектина проводят в мембранных ультрафильтра­ционных аппаратах.

Ультрафильтрацию можно представить как процесс молекулярного фильтрования, но проводи­мого не в тупиковом, а в проточном режиме. Последнее означает, что подаваемый в мембранный аппарат поток разделяется на два непрерывно выходящих из аппарата потока: оставшийся над мембраной концентрат, значительно обогащенный задерживаемым мембраной компонентом, и прошедший через мембрану пермеат, освобожденный от задерживаемого мембраной компонента.

Рис. 12. Распределение потоков возле мембраны

В нашем случае весь пектин остается в концентрате, и накопления его в объеме мембранного апш рата не происходит.

Это обстоятельство принципиально отличает процесс мембранного разделения от обычног фильтрования. В идеальном случае поверхность мембраны постоянно свободна от молекул пекти на и производительность ее не падает из-за блокировки пор мембраны.

На практике такого идеального протекания процесса достичь не удается, поскольку нужно обес печить очень высокие линейные скорости жидкости вдоль поверхности мембраны, которые не Д( пускали бы прилипания молекул пектина к мембране.

Более строго ситуацию на поверхности мембраны можно представить по рис. 12.

При протекании исходной смеси, в которой молекулы пектина условно изображены в виде час тиц, вдоль мембраны отвод воды и низкомолекулярных компонентов через мембрану происходи из тонкого поверхностного слоя. В этом слое быстро накапливается пектин, который мембраной зс держивается. Если весь объем жидкости в потоке не перемешивать, т.е. тонкий концентрирс ванный слой не заменять постоянно исходным раствором из ядра потока, то пектин сгущается н мембране до состояния геля.

КП представляет собой главную проблему мембранного разделения, поскольку из-за нее падає производительность мембранного аппарата. Устранить КП полностью невозможно, но уменьшит ее влияние удается, если создать в слое жидкости над мембраной турбулентный режим. Для этот и необходима большая скорость жидкости в канале.

Второй способ понижения влияния КП — это размещение в канале подвижных турбулизаторої работающих по принципу вращающихся дисковых мешалок. При своем движении мешалки создг ют локальные турбулентные вихри, которые перемешивают жидкость в каждой точке поверхне ти мембраны, но не вовлекают ее в общее круговое движение.

При производстве пектина возможно использование мембранных аппаратов, работающих и п первому, и по второму способу. На рис. 13 показан мембранный аппарат без мешалок, в котором мі мбрана для компактности свернута в рулон, а для протока разделяемого раствора между виткам

Рис. 14. Принципиальное устройство мембранных аппаратов с мешалками

рулона размещена гофрированная гибкая пластина, обеспечивающая постоянную высоту канала.

Мембранный аппарат с дисковыми мешалками представлен на рис. 14.

Таким образом, в аппаратах первого типа энергия для турбулизации жидкости вводится в них через поток жидкости от насоса, в аппаратах второго типа — через вращающиеся диски от приво­да мешалки.

Коэффициент полезного действия введенной энергии в аппаратах двух типов заметно различа­ется. Это видно из рис. 15, где показано, как изменяется удельная производительность мембран в различных аппаратах по мере концентрирования раствора пектина.

Общее падение производительности мембран обусловлено увеличением вязкости раствора пек­тина по мере его концентрирования. Увеличение вязкости снижает текучесть жидкости за счет сил внутреннего трения, естественно, падает и протекаемость жидкости через поры мембраны.

В аппарате с мешалками мембрана имеет заметно большую пропускную способность, что позво­ляет уменьшить почти вдвое общую потребную площадь мембран для обеспечения производствен­ной мощности.

Очень важным преимуществом ультрафильтрации является возможность отмывки пектина от низкомолекулярных примесей до любой требуемой чистоты в режиме диафильтрации. Диафильтра­ция — это не новый мембранный процесс, а технологический прием, заключающийся в добавлении в концентрат чистой воды и в повторном ультрафильтрационном концентрировании раствора.

Диафильтрацию можно представить как мембранный реактор с непрерывной циркуляцией ра­створа по контуру (рис. 16).

Предварительно сконцентрированный раствор пектина объемом V” имеет повышенное (пропор­ционально степени концентрирования) содержание пектина и начальную концентрацию низкомо­лекулярных примесей. При прохождении через мембранный аппарат из раствора выделяется пер­меат с расходом q_p, концентрат возвращается в исходную емкость, куда добавляется чистая вода с расходом Q_w, равным выводу пермеата q_p.

Таким образом, содержание низкомолекулярных примесей в исходной емкости постоянно уменьшается за счет вывода их с пермеатом, а содержание пектина остается неизменным, посколь­ку мембрана его в пермеат не пускает, благодаря чему достигается очистка пектина.

На рис. 17 показано, как влияет кратность диафильтрации (отношение объема добавленной воды к начальному объему раствора V_o) на чистоту пектина. Возможно доведение этого показателя до 100%.

3.2.3.