Membrany: Procesy separacji membranowej w przemyśle mleczarskim cz. 3

W przemyśle spożywczym, a zwłaszcza w branży mleczarskiej, wciąż niegasnącym zainteresowaniem cieszą się procesy separacji membranowej. Jak sama nazwa wskazuje są to procesy prowadzone przy wykorzystaniu membran – swoistych filtrów pełniących rolę barier, które oddzielają od siebie dwie fazy. W trakcie filtracji membranowej jak i zresztą w każdej filtracji, przez membranę może przechodzić bez przeszkód co najmniej jeden ze składników mieszaniny, podczas gdy inne są na niej zatrzymywane. Membrana ogranicza tym samym w sposób selektywny transport różnego rodzaju substancji i składników, a sam rozdział zachodzi w wyniku różnicy ciśnień hydrostatycznych panujących po obu stronach membrany. Różnica ta zwana jest ciśnieniem transmembranowym i wraz z jego wielkością jak i średnicą porów używanych membran warunkuje klasyfikację danego procesu i jego zastosowanie. Wyróżnić można np.: mikrofiltrację, ultrafiltrację, nanofiltrację, w których kolejno średnice porów maleją, a zastosowane ciśnienie transmembranowe rośnie. Wskutek membranowego rozdziału strumienia zasilającego zwanego nadawą, powstają dwa strumienie: strumień zatężony czyli koncentrat nazywany również retentatem oraz strumień filtratu, który nosi także nazwę permeatu.

Procesy rozdzielania membranowego prowadzi się w modułach membranowych, które to zapewniają przepływ separowanej mieszaniny w kierunku prostopadłym albo równoległym do powierzchni membrany.

W mleczarstwie technika membranowa znajduje zastosowanie na przykład w celu zatężania i oczyszczania serwatki poprzez wykorzystanie do tego procesu odwróconej osmozy. Możliwe jest także odzyskiwanie tłuszczu z maślanki czy szeroko stosowane mikrofiltracyjne usuwanie z mleka drobnoustrojów. W przypadku mikrobiologicznego oczyszczania mleka techniki membranowe rozwiązują problem, z którym nie poradziła sobie pasteryzacja. Otóż w wyniku stosowania wysokiej temperatury pasteryzacji giną wprawdzie bakterie chorobotwórcze występujące w mleku w formie wegetatywnej, ale przeżywają ciepłooporne wegetatywne formy bakterii jak również przetrwalniki bakterii. Potencjalnie nadal więc zagrażają czystości i trwałości produktu. Z kolei stosując jeszcze wyższą temperaturę procesu czyli wprowadzając metodę sterylizacji pojawia się problem termicznej degradacji białek mleka. To z kolei skutkuje pozostawianiem po sobie charakterystycznego, specyficznego posmaku gotowania zubażając tym samym produkt o jego odżywcze właściwości i walory smakowe, które występują w postaci surowej. Włączenie zatem separacji membranowej w proces obróbki mleka niesie tym samym łatwo zauważalne, pozytywne skutki, które przejawiają się dłuższym terminem przydatności do spożycia, a także o czym nie należy zapominać, do poprawy i utrzymania wysokiej jakości mikrobiologicznej produktów końcowych powstałych na bazie tak wstępnie przygotowanego mleka jako surowca przeznaczonego do dalszego przerobu.

Istnieje wiele materiałów z których produkuje się membrany. Membrany znajdujące zastosowanie w mikrofiltracji wytwarzane się z polimerów organicznych – polimerów hydrofobowych i hydrofilowych oraz z materiałów nieorganicznych takich jak szkło, metale: pallad, wolfram; materiały spiekane z węglem czy ceramika.

Wśród technik wytwarzania membran mikroporowatych wymienić można modelowanie i spiekanie, rozciąganie filmów polimerowych, bombardowanie w reaktorze atomowym filmów polimerowych czy też inwersję fazową.

Na uwagę zasługują coraz bardziej popularne membrany ceramiczne, które najczęściej stosowane są w procesach mikrofiltracji z uwagi na stosunkowo coraz niższe koszty produkcji, które wynikają z bardzo dużego postępu w technologii produkcji membran nieorganicznych, bo do takich właśnie zalicza się membrany ceramiczne.

Membrany ceramiczne są to membrany, których nośnikiem niezbędnym do ich otrzymania są porowate rury i arkusze ceramiczne. Nośniki stosowane do wytworzenia tego typu membran spełniają dwie elementarne funkcje, jakimi są: zapewnienie odpowiedniej wytrzymałości mechanicznej i umożliwienie uzyskania odpowiedniego rozmiaru porów w aktywnej żelowej warstwie membrany, co jest kluczowe dla membrany jako materiału filtracyjnego. Dlatego też wymagane jest ścisłe kontrolowanie rozmiarów cząstek w materiałach wyjściowych z których otrzymywane są nośniki. O rozdziale substancji decydują rozmiary porów, stąd też nazwa – sitowy efekt rozdziału.

Na strukturę membrany ceramicznej, a tym samym na jej zdolności separacyjne wpływa rodzaj użytego materiału do wytworzenia separacyjnej warstwy takiej membrany. Materiał ten ma również decydujący wpływ na wartość ładunku powierzchniowego jednostki filtracyjnej, który jest zależny od wartości punktu izoelektrycznego tego materiału. Jeśli zatem rozpatrywany jest przypadek separowanego roztworu o pH mniejszym od wartości punktu izoelektrycznego membrana przyjmuje ładunek dodatni. Natomiast w trakcie filtracji roztworu o pH większym od wartości punktu izoelektrycznego membrana przyjmuje ładunek ujemny. Wynika z tego, że wartość i znak ładunku powierzchniowego membrany wpływa istotnie na intensywność blokowania membran tzw. fouling.

Można wymienić szereg zalet membran ceramicznych zaczynając od możliwości sterylizacji wysoką temperaturą, parą wodną czy środkami utleniającymi, dzięki czemu możliwe jest zachowanie higieny na najwyższym poziomie, co ma fundamentalne znaczenie w przemyśle spożywczym. Oprócz tego możliwość płukania zwrotnego poprzez odwrócony przepływ wody z powrotem przez filtr, aby usunąć zaabsorbowane cząsteczki ze środka membrany na zewnątrz (ang. back flushing). Wytrzymałość termiczna sprawia także, że nie ma ograniczeń temperatury prowadzenia procesu separacji – podyktowana jest ona właściwościami substancji rozdzielanej, a nie ograniczeniami membrany jako takiej. Ułatwiona jest także regeneracja membran środkami chemicznymi, co również wiąże się z ich bardzo długą żywotnością wynoszącą od około pięciu do dziesięciu lat. Ponadto wydajność filtracji jest wysoka, co z kolei ma związek z mniejszą podatnością membran ceramicznych na fouling – zatykanie membran – w porównaniu z membranami polimerowymi, ponieważ ich powierzchnia ma bardziej hydrofilową naturę. Co więcej, membrany te charakteryzują się wysoką odpornością biologiczną, mechaniczną (nie należy obawiać się trudności z powodu ubicia membran, rozwarstwień czy pęcznienia składowych systemu) i wysoką przepuszczalnością hydrauliczną. Dodatkowo wprowadzenie rozwiązania niekołowego przekroju kanałów hydraulicznych umożliwia zwiększenie powierzchni filtracyjnej membrany optymalizując jednocześnie stosunek powierzchni filtracyjnej i wielkość instalacji. Membrany ceramiczne dzięki wyżej wymienionym zaletom znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie membrany polimerowe uległyby szybkiemu uszkodzeniu.

Obecnie dostępne są odmienne membranowe materiały ceramiczne, które różnią się między sobą składem chemicznym i stopniem krystalizacji. Możliwe jest wobec tego formowanie membran o innej odporności chemicznej, termicznej czy hydrotermicznej. Tworzenie ceramicznych membran gradientowych wydaje się być rozwiązaniem gwarantującym brak uszkodzeń w ich strukturze oraz względnie niskie koszty produkcji. W takich podstawowych jednostkach filtracyjnych warstwy są w zasadzie niewidoczne, natomiast rozmiary cząstek materiału ceramicznego ulegają stopniowym zmianom.

Techniki membranowe na stałe wkroczyły do przemysłu mleczarskiego stanowiąc prężnie rozwijającą się alternatywę dla innych metod poprzez niekonwencjonalne zastosowania, możliwości formowania i dostosowywania do ściśle określonych warunków produkcji.