Procesy separacji membranowej w przemyśle mleczarskim cz. 2
W przemyśle stosuje się membrany syntetyczne stałe, wytwarzane z materiałów organicznych bądź nieorganicznych. Membrany nieorganiczne są ostatnio częściej stosowane, na ogół jako membrany porowate. O wiele większe znaczenie zyskały organiczne membrany polimerowe. Podział membran pod kątem ich morfologii czy struktury jest z kolei nierozerwalnie związany z mechanizmem rozdzielania substancji, a ten w konsekwencji decyduje o zastosowaniu membran. Membrany porowate znajdują więc zastosowanie w metodach ultrafiltracji lub mikrofiltracji, podczas gdy obojętne elektrycznie membrany nieporowate w metodach odwróconej osmozy czy perwaporacji. Membrany nieporowate, które zawierają ładunki elektryczne bardzo dobrze sprawdzają się chociażby w nanofiltracji. Ogólnie rzecz ujmując wszystkie wymienione wyżej membrany mogą być membranami symetrycznymi lub asymetrycznymi.
Membrany symetryczne to takie, których właściwości są jednakowe (związane z grubością membrany) podczas gdy membrany asymetryczne mają właściwości zmieniające się wraz z grubością membrany, np. rozmiar porów. Membrany asymetryczne mogą być wytwarzane z jednego lub z różnych polimerów. Należy pamiętać o tym, że dla każdego procesu niezbędne jest optymalizowanie membrany zwłaszcza wtedy gdy membrana tego samego typu stosowana jest w różniących się procesach. Strukturalne właściwości membran decydują o: odporności termicznej, wytrzymałości mechanicznej oraz o przepuszczalności membrany względem danego składnika. Możliwa jest zatem modyfikacja procesów, w zależności od pożądanych efektów końcowych separacji z wykorzystaniem techniki membranowej. W przypadku gdy celem jest otrzymanie dużego strumienia permeatu niezbędna jest możliwie najcieńsza, selektywna warstwa membrany. Powodem jest fakt, że strumień składnika jest odwrotnie proporcjonalny do grubości membrany. Aby osiągnąć efekt ekstremalnie cienkich membran stosowane są struktury asymetryczne, ponieważ w przeciwieństwie do struktur symetrycznych, zbudowane są z cienkiej, lecz gęstej aktywnej warstwy oraz porowatej warstwy nośnej pod nią. Tym samym właściwość rozdzielczą membrany określa warstwa aktywna membrany będącą warstwą właściwą. Warstwa nośna nie wpływa na właściwości separacyjne membrany, gdyż jak nazwa wskazuje jest tylko nośnikiem warstwy aktywnej.
Przykładowo, membrany stosowane w mikrofiltracji wytwarza się z polimerów organicznych (polimerów hydrofobowych i hydrofilowych) i materiałów nieorganicznych takich jak ceramika, metale (pallad, wolfram), szkło oraz materiały spiekane z węglem. Do niektórych technik wytwarzania membran mikroporowatych zalicza się modelowanie i spiekanie, rozciąganie filmów polimerowych, bombardowanie w reaktorze atomowym filmów polimerowych, inwersję fazową. Techniki membranowe znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle mleczarskim do tzw. zimnej pasteryzacji mleka, standaryzacji kazeiny czy też do produkcji twarogu.
Marcin Skrzypek
Właściciel firmy Intermasz – Filtracja Membranowa
Mleczarstwo, to bez wątpienia jeden z obszarów, gdzie techniki membranowe znajdują od lat najwięcej zastosowań. Oprócz powszechnie stosowanych rozwiązań z zakresu zgęszczania mleka (RO), serwatek podpuszczkowych lub kwasowych (NF/RO), standaryzacji poziomu białka w mleku procesowym (UF/MF), produkcji twarożku z mleka ukwaszonego (UF) czy też koncentracji białek mleka do produkcji MPC lub białek serwatkowych w serwatce podpuszczkowej (UF) coraz częściej zastosowanie znajdują aplikacje z zakresu mikrofiltracji. Ta pozornie najprostsza technika membranowa (ze względu na największe średnice porów stosowanych membran, 0,1-2 µm), w praktyce okazała się jedną z najbardziej wymagających. Właśnie duża porowatość membran i wysokie strumienie permeatu przez długi czas powodowały problemy z utrzymaniem stabilnych parametrów procesowych i zapewnieniem zadowalającego czasu pracy membran. Niezbędnym, w większości aplikacji, okazało się zastosowanie bądź specjalnych systemów regulacji ciśnienia transmembranowego bądź też użycie specjalistycznych ceramicznych membran mikrofiltracyjnych, których konstrukcja gwarantuje stabilne warunki pracy membran na całej jej długości (GP firmy Pall czy też Isoflux firmy Tami). Klasyczne membrany mikrofiltracyjneulegają bowiem szybkiemu foulingowi ze względu na fakt, że duże prędkości styczne (często >6 m/s), powodują bardzo znaczące spadki ciśnienia (nawet powyżej 2 bar na długości 1 m), co z kolei skutkuje bardzo dużym zróżnicowaniemwarunków pracy pojedynczej membrany na całej jej długości. Strumienie permeatu uzyskiwane na wlocie tych membran są zdecydowanie wyższe od strumieni generowanych w jej części środkowej, a zwłaszcza końcowej (w tej ostatniej niejednokrotnie dochodzi do przepływów wstecznych, oznaczających przepływ permeatu do produktu, powodujących zmniejszenie sumarycznej efektywności pracy membrany).
Do najpowszechniejszych aplikacji mikrofiltracji w krajowym mleczarstwie należą: oczyszczanie solanek serowarskich (ponad 40 instalacji) oraz usuwanie mikroflory bakteryjnej z mleka procesowego (niskoogrzewane proszki mleczne, MPC, koncentraty kazeinowe, produkty ukwaszane) czy też mleka ESL (łącznie kilkanaście instalacji). Spośród najnowszych aplikacji MF z wykorzystaniem membran ceramicznych wymienić należy oczyszczenie serwatek podpuszczkowych (usuwanie pyłu kazeinowego, mikroflory bakteryjnej i tłuszczu), gdzie MF zastępuje jednocześnie wirówkę odtłuszczającą, pasteryzator i klaryfikator. Instalacja mikrofilltracji może zostać użyta zarówno przed typowymi układami NF/RO do zagęszczania serwatki, czy też bardziej wymagającymi aplikacjami (produkcja wysokobiałkowych koncentratów lub nawet izolatów białek serwatkowych – dzięki redukcji poziomu tłuszczu możliwe jest uzyskanie w proszku białka na poziomie >90%). W odniesieniu do serwatek kwasowych dodatkową zaletą układu MF jest możliwość odzyskania pyłu kazeinowego i tłuszczu, jako pełnowartościowego produktu w formie masy twarogowej o s.m.>22%.
