Мембраны.
Мембраны в ультрафильтрационных установках являются главным элементом, которые должны отвечать определенным требованиям, иначе процесс очистки и концентрирования может не пройти. Мембраны должны быть высокопроницаемыми и селективными, устойчивыми к действию разделяемых растворов, механически прочными. Они должны обладать низкой адсорбцией к разделяемым веществам и невысокой стоимостью. По этим показателям считаются лучшими полимерные мембраны.
При ультрафильтрации используют мембраны из целлофана, каучука, полиэтилена, полистирола, целлюлозы и ее производных (особенно ацетатцеллюлозы), полифенола, полиакриловой кислоты, металлокерамики, пористого стекла и др.
Применение обратного осмоса и ультрафильтрации.
Мембранные технологии особенно эффективны при концентрировании, очистке и фракционировании растворов и жидких пищевых продуктов (пива, вина, продуктов молочного производства и др.), при очистке воздуха или создании регулируемых газовых сред для хранения сельскохозяйственной продукции и др.
Обратный осмос применяют при обессоливании воды, снижении содержания солей, приготовлении сверхчистой воды, производстве антибиотиков, очистке воды для общественных водопроводов и др.
В пищевой промышленности обратный осмос используют при очистке воды для производства напитков (подготовка воды на пивоваренных, безалкогольных, ликероводочных заводах и т.п.), при выработке фруктовых и овощных соков.
Обработка виноградных вин обратным осмосом позволяет решить вопрос их стабилизации. При использовании обратного осмоса через мембрану проходит вода и этиловый спирт, а ионы калия и винная кислота остаются в концентрате, из которого интенсивно выпадает винный камень. При фильтровании концентрата его смешивают с фильтратом, что повышает его стабильность на длительный период.
Обратным осмосом концентрируют яичный белок. При этом не происходит денатурирования протеинов, и получают яичный белок с содержанием протеинов до 30 %.
Ультрафильтрацию применяют для разделения (концентрирования) систем, содержащих высокомолекулярные соединения (ВМС). Размер молекул этих соединений больше размера пор мембраны, благодаря чему молекулы растворителя проходят через мембраны, а молекулы ВМС задерживаются. Это приводит к концентрации раствора по высокомолекулярным соединениям или обеспечивает очистку раствора от ВМС.
На ультрафильтрационных обратноосмотических установках осуществляют концентрирование соков. Процесс проводят при пониженной температуре без применения установок для улавливания аромата, что позволяет сохранить биологически активные соединения и высокие вкусовые качества соков.
Методы ультрафильтрации и обратного осмоса используют для отделения красящих веществ от свекольного и тростникового сахара, очистки крахмала, удаления из пива бактерий и высокомолекулярных веществ и т.п.
Диализ и электродиализ.
Сущность диализа – разделение растворенных веществ с различной молекулярной массой за счет селективной проницаемости мембран. Необходимое условие диализа – создание разности концентраций по обе стороны полупроницаемой мембраны.
Процесс диализа описывается уравнением:
Q=DdS∆C,
где Q – количество вещества, перенесенного через мембрану за единицу времени;
Dd – коэффициент диализа, зависит от свойств мембраны и свойств жидкой пленки, образующейся на границе раздела между диализуемой пленкой и мембраной;
S – площадь поверхности мембраны;
∆C – разности концентраций переносимого вещества по обе стороны мембраны.
Диализ может быть использован для очистки ферментных растворов от низкомолекулярных веществ (сахаров, аминокислот, минеральных солей и т.д.). При этом степень очистки от этих веществ составляет 60-100 %. Весьма эффективен при высоком содержании в растворах солей.
Процесс диализа очень медленный и для очистки от балласта значительных объемов растворов требуется мембрана с большой поверхностью.
Используют самые разнообразные полупроницаемые мембраны (пергамент, армированный целлофан, целлофаны с различным размером пор и др.).
Электродиализ – относится к группе электромембранных процессов. Сущность этого мембранного метода состоит в том, что перенос ионов через мембрану интенсифицируют с помощью постоянного электрического тока. В процессах электродиализа используют мембраны с таким же размером пор, как у мембран обратного осмоса. Однако мембраны в этом случае выполнены из ионообменных смол.
Электрический потенциал подводится к аппарату через два электрода, размещенных в соответствующих электродных камерах:
Схема работы проточного диализатора
Обе камеры отделены от рабочей обессоливающей камеры, куда подается исходный рабочий раствор, ионообменными мембранами, со стороны катода – анионообменной, со стороны анода – катионообменной. Под действием постоянного электрического поля при работе аппарата катионы смещаются к аноду, встречают на пути катионообменную мембрану, проходят через нее в электродную камеру и в виде слабого раствора щелочи выводятся из аппарата.
Соответственно ведут себя и анионы, выходя из аппарата в виде слабого раствора кислоты. Обессоленный раствор ферментов (диализованный раствор) выводится из рабочей камеры. При этом образуется обессоленное течение (дилуат) и концентрированное течение (концентрат).
Электродиализ нельзя применять при выделении ферментов с четвертичной структурой (т.к. она формируется с участием ионов металлов), при выделении металлоферментов (они теряют свою активность).
Для электродиализа используют установки с катионными (пропускают катионы) и анионными (пропускают анионы) мембранами либо с мембранами обоих типов.
Целью электродиализа может быть извлечение продуктов из одной части раствора (дилуата или концентрата) или же обоих.
Электродиализ используют при производстве концентрата поваренной соли из морской воды, для очистки аминокислот, витаминов, ферментов и др.
Для улучшения диетической ценности детского питания из молочных продуктов методом электродиализа удаляются соли, во второй фракции остается лактозный концентрат.