Примеры промышленного применения керамических мембран
В Европе промышленные установки на основе керамических мембранных элементов устойчиво занимают не менее 30% рынка. На территории бывшего СССР доля рынка значительно меньше, однако это не снижает их востребованность. Наоборот, в данный момент наша компания вынуждена переносить проведение пилотных испытаний на несколько месяцев вперёд, из-за большого количества заказов. В такой популярности нет никакого секрета, так как только керамические мембранные элементы способны работать при максимальном диапазоне температуры и pH. Это преимущество играет важнейшую роль даже при очистке не агрессивных сред, так как даёт возможность на протяжении десяти и более лет регенерировать состояние мембран до исходного с помощью химических моек, недоступных для полимерных аналогов.
1. Фармацевтическия и микробиологическая промышленности.
Рибофлавин. Культуральная жидкость
продуцента витамина В12 (рибофлавина) подвергается
микрофильтрации на керамических мембранах размером пор 0,2 мкм при
температуре более 110 0 С для отделения биомассы от растворенного
при такой температуре витамина В12. Скорость фильтрации составляет
400 л/м2/ч.
1.2. Эритромицин. Культуральная жидкость продуцента эритромицина
разбавляется в два раза водой затем подвергается микрофильтрации на
керамических мембранах с размером пор 0,2 мкм при температуре 40 0С.
Скорость фильтрации составляет 60-80 л/м2/ч. Выход
антибиотика на стадии микрофильтрации увеличивается на 17-21 % по сравнению со
стандартной заводской технологией с использованием фильтр-прессов.
1.3. Лизин.
Для получения кристаллического лизина культуральная жидкость продуцента лизина
подвергается процессу предварительной очистки от биомассы
путем микрофильтрации на керамических мембранах с размером пор 0,2
мкм при температуре 50 0С. Скорость фильтрации составляет
120-160 л/м2/ч. По технологии 75 % получаемого очищенного раствора
направляется для получения кристаллического лизина, а концентрат
биомассы (25 %) направляется для производства кормового
лизина. Проектная мощность установки составляет 160 м2.
1.4. Ферменты. Спиртовой
(70%) экстракт белков и ферментов очищается на установке с поверхностью
фильтрации 1,1 м2 с использованием керамических мембран с
размером пор 0,2 мкм. Скорость фильтрации составляет 130 л/м2/ч.
2. Молочная промышленность.
Ультрафильтрация – наиболее часто применяемый
мембранный процесс при переработке молочного сырья. УФ подвергают цельное
молоко, обезжиренное молоко, предварительно сквашенное молоко, а также
сыворотку.
Задачами УФ являются:
а)
предварительное концентрирование белков в молоке для производства традиционных
видов сыров;
б)
значительное изменение соотношения между белками и другими компонентами для
создания новых видов сыров;
в)
нормализация молока по белку для обеспечения однородности и воспроизводимости
свойств получаемого сыра независимо от сезонности;
г)
выделение сывороточных белков из сыворотки с целью получения белковых
концентратов и лактозного раствора.
2.1. Концентрирование
молока.
Предварительное
концентрирование молока путем УФ увеличивает массовую долю сухих веществ в
среднем с 12,5% до 16% и позволяет удвоить производительность последующих
стадий. При концентрировании цельного молока в 2 раза в технологическую цепочку
включается только УФ – система, а основные операции производства сыра
осуществляются по общепринятой технологии.
При
дальнейшем концентрировании молока до фактора концентрирования 3-5 (до 40% СВ)
для получения и обработки белкового сгустка требуется специальное оборудование.
Использование
УФ молока повышает выход сыра, например, в производстве сыра Фета расход молока
сокращается с 8,5 до 6,5 кг/кг сыра. Кроме того, УФ концентрирование позволяет
сократить расход молоко свертывающего фермента (до 60%) и бактериальной закваски,
уменьшить время созревания сыра и продолжительность технологического
процесса, а также автоматизировать процесс производства и контроля.
2.2. Микрофильтрация молока на керамических мембранах.
Микрофильтрация молока – относительно
новый, применительно к молоку мембранный процесс, при котором, как и при
ультрафильтрации, разделение компонентов молока протекает под действием
давления в проточном режиме при скоростях жидкости над мембраной 5 - 7 м/сек.
Применение
керамических мембран с порами 0,2 – 0,8 мкм позволяет удалять из молока
бактерии. При микрофильтрации цельного молока удаляется одновременно и большая
часть жира, при этом, мембраны с размером пор 0,2 мкм удаляют 99,9 % жировых частиц,
а мембраны с размером пор 0,8 мкм - 90-98 % жира. Содержание
бактерий в молоке, профильтрованном через мембраны с размером пор 0,8 мкм,
снижается на два порядка без заметной задержки протеинов.
Микрофильтрация
обезжиренного молока протекает при значительно большей скорости, по сравнению с
аналогичным процессом для цельного молока. Например, при использовании
керамических мембран с размером пор 0,8 мкм микрофильтрация цельного молока
(при 550С) протекает при скорости 500 - 700 л/м2/ч, а для
обезжиренного молока – при скорости фильтрации 2500 – 3500 л/м2/ч при
этом удаляется 99,6 % бактерий из снятого молока.
Микрофильтрация
обезжиренного молока может быть использована для высокоэффективной стерилизации
молока, особенно в случаях сильной обсемененности молока.
Фирмой «Альфа-Лаваль» (Швеция) разработан процесс стерилизации молока, названный «Бактокеч», при котором обезжиренное молоко подвергается микрофильтрации через керамические мембраны с размером пор 0,8 – 1,4 мкм, а полученный в процессе концентрат, составляющий 5-10 % от общего объема молока смешивается с жировым концентратом и подвергается высокотемпературной обработке при 1300С/4 сек, после чего смешивается в нужной пропорции с микрофильтратом молока. Данная технология позволяет значительно повысить уровень пастеризации молока и снизить денатурацию белков по сравнению с обычной тепловой пастеризацией.
3. Пищевая промышленность.
3.1. Соевое молоко (растительный экстракт сои).
Соевое
молоко получается путем высокотемпературной экстракции (90 0C) бобов сои в воде. Получаемый горячий экстракт
центрифугируют на шнековом декантере для отделения окары (остатков соевых
бобов). Соевое молоко содержит ценные высокомолекулярные вещества: растительные
белки (2,2-3,7 %) и жиры (1,1-2,5 %), а также нежелательные низкомолекулярные
вещества содержание которых - около 2,4 % (олигосахариды, ингибитор трипсина,
липозидаза). Низкомолекулярные вещества могут быть удалены путем
ультрафильтрации соевого молока в сочетании с диафильтрацией.
Ультрафильтрация
– относительно новый процесс для индустрии соевых продуктов. В отличие от
традиционных методов концентрирования, например, вакуум-выпаривания,
ультрафильтрация позволяет получать разнообразное сочетание компонентов в
соевых продуктах. В процессе ультрафильтрации высокомолекулярные вещества задерживаются
мембраной и концентрируются, а низкомолекулярные вещества уходят с пермеатом,
при этом содержание сухого вещества (СВ) в соевом молоке повышается
с 7,5-8 % до 12 – 22 %. Добавление воды в процессе ультрафильтрации
(так называемый процесс диафильтрации) позволяет уменьшить концентрацию
низкомолекулярных веществ до требуемого уровня, например 1,1-1,2
%. Получаемый в процессе ультрафильтрации концентрат соевого молока
с одержанием белка 57-60 % и жира – 30 –34 % может быть использован при
производстве творога, майонеза, сливок, сыров различной жирности и других
продуктов.
Концентрирование
соевого молока проводится с использованием керамических мембран с размером пор
0,2 мкм и 0,8 мкм.
3.2. Напитки, экстракты, сиропы.
При
осветлении напитков, плодово-ягодных экстрактов и сиропов используются
керамические мембраны с размером пор 0,2 мкм. Установки имеют поверхность
фильтрации 1,1 м2 и 4 м2. Скорость фильтрации
составляет в зависимости от продукта 60 – 100 л/м2/ч.
Микрофильтрация плодово-ягодных экстрактов и сиропов протекает при температурах
70 – 80 0С. Микрофильтрация используется при
производстве сиропов калины, шиповника, клюквы, облепихи, боярышника и
др.
Для очистки
растительных экстрактов на основе кукурузы при производстве красных красителей
используется микрофильтрационная установка с поверхностью 4 м2 и
размером пор 0,2 мкм. Производительность установки по пермеату
составляет 700 – 800 л/ч.
Очистка минеральной
воды, получаемой из скважины, протекает на установке с поверхностью
керамических мембран 2 м2 с производительностью по пермеату
1800 л/ч.
По заключению НПО пивоваренной,
безалкогольной и винодельческой промышленности из минеральной воды после
микрофильтрации удаляются ионы железа, а остальной химический состав остается
неизменным.
3.3. Вина.
При микрофильтрации вино-материалов на
керамических мембранах с размером пор 0,2 мкм опробовано более 20
различных видов сухих, крепленых и столовых вин, а также коньячный напиток
(36 0 об.). По данным ЦЗЛ и оценке виноделов (АО
«Агрофирма «Абрау-Дерсо», «Крымсовхозвинпром» и отдельных заводов) качество
фильтрации очень высокое, органолептические показатели полностью соответствуют
установленным для данных марок вин требованиям, содержание сахара и спирта не
изменяется, обеспечивается удаление 99,99 % микроорганизмов. Для
очистки вин используются установки с поверхностью фильтрации 4 м2,
10 м2 и 20 м2. Средние скорости фильтрации (8 час
работы) составляют для сухих вин – 150 – 250 л/м2/ч, для крепленых
вин – 60-100 л/м2/ч, для коньячного напитка – 300 –500 л/м2/ч.
3.4. Водоподготовка при производстве пива.
При
производстве пива важное значение имеет степень очистки воды от посторонних
примесей, микроорганизмов, железа и солей жесткости. В небольших по
мощности производствах с объемом водопотребления 5-6 м3 в сутки
при одно сменной работе применяется комплексная водоочистительная установка,
включающая блок микрофильтрации с керамическими мембранами (с поверхностью
фильтрации – 5 м3) и блок умягчения воды. Использование
микрофильтрации необходимо в случаях, когда в артезианской воде
имеется повышенное содержание микроорганизмов, а также железа.
Регенерация керамических мембран происходит за счет импульсов обратного тока
фильтрата в процессе фильтрации и периодической (1-2 раза в неделю) мойки
щелочным раствором с добавлением гипохлорита натрия.
4. Топливно-энергетическая промышленность.
Утилизация
отработанного трансформаторного масла представляет собой серьезную проблему для
энергетической отрасли промышленности.
С
помощью процесса микрофильтрации на керамических мембранах возможно очистить
отработанное трансформаторное масло от взвешенных веществ и воды и довести
показатели чистоты трансформаторного масла до требуемых нормативов по удельному
сопротивлению.
Установка по регенерации трансформаторного масла включает блок микрофильтрации с керамическими мембранами (поверхность фильтрации – 4 м2) и блок обезвоживания. Удаление воды из трансформаторного масла происходит за счет создания разрежения в зоне выхода пермеата над развитой внешней поверхностью трубчатых керамических фильтров. Установка позволяет повысить чистоту регенерированного трансформаторного масла с 14-го до 7-го класса, уменьшить влагосодержание с 3000 г/т до 20 г/т и существенно поднять электрическое сопротивление масла с 0 до 24,5 кВ/см. Производительность установки по очищенному трансформаторному маслу - 1200 л/ч.