Separacja membranowa nieustannie na topie
Zdzisław Jęsiak
Senior Sector Specialist Manager w Diversey Polska
W swoim przeglądowym artykule „Separacja membranowa nieustannie na topie” autorka zwróciła uwagę na bardzo dynamicznie rozwijającą się technologię i technikę procesów filtracji membranowych w mleczarstwie. Jestem przekonany, że ta aplikacja znajdzie jeszcze bardzo wiele zastosowań, w miarę dalszego rozwoju materiałów do produkcji membran. Uważam jednak, że warta podkreślenia jest w tym miejscu konieczność doboru odpowiednich detergentów do procesów mycia i/lub dezynfekcji tych instalacji. Próby „oszczędzania za wszelką cenę” i zastosowanie do mycia preparatów niezaakceptowanych przez producentów membran mogą skutkować nieodwracalnymi uszkodzeniami ich powierzchni i koniecznością zakupienia nowych – co wiąże się ze sporymi nakładami finansowymi.
Instalacja membranowa niesie ze sobą kolejne praktyczne zastosowanie tym razem w układach CIP (ang. Cleaning In Place), w którym główną rolę odgrywa membrana do procesu ultrafiltracji. Proces wiąże się z odzyskiem środków myjących (takich jak ług sodowy lub kwas azotowy) wykorzystywanych do czyszczenia linii produkcyjnej. Tym samym powstałe ścieki charakteryzują się mniejszym obciążeniem związkami chemicznymi, znajduje to swoje odbicie w ich zagospodarowaniu i zminimalizowaniu wpływu na środowisko, co poddawane jest regulacjom prawnym. Wykorzystuje się w tym celu membrany ceramiczne. Roztwór zużytej kąpieli myjącej kierowany jest na instalację membranową, gdzie ulega rozdziałowi na dwa strumienie. Jeden strumień zawiera zanieczyszczenia powodujące utratę właściwości myjących kąpieli (np. zanieczyszczenia białkowo-tłuszczowe) drugi zaś to oczyszczony już roztwór myjący gotowy do ponownego wykorzystania, zawracany do odpowiadającego, właściwego mu zbiornika w stacji CIP. W takim rozwiązaniu odpada konieczność dodatkowego stosowania środków chemicznych przeznaczonych do regeneracji roztworów myjących, dlatego też m.in. obciążenie ścieków związkami chemicznymi ulega zmniejszeniu. Stopień sprawności procesu odzyskiwania roztworów myjących sięga 90%. Oczyszczaniu można poddawać także różnego rodzaju popłuczyny bądź białe wody z zakładu. W przypadku białych wód możliwe jest także odzyskiwanie z nich białek.
Tak szerokie, wielozadaniowe, praktyczne zastosowanie instalacji membranowych na skalę przemysłową, które z powodzeniem odnalazło się w przemyśle mleczarskim, stało się możliwe dzięki opracowaniu membran ceramicznych. Dopiero wtedy uzyskano zadowalające efekty i szeroki wachlarz aplikacji, które niosły i wciąż niosą ze sobą tego rodzaju instalacje. Podstawowym czynnikiem, który decyduje o wydajnym i stabilnym procesie mikrofiltracji w dłuższym czasie jest zapewnienie systemowi filtracyjnemu stałych warunków pracy, które związane są z wartością ciśnienia transmembranowego. Aby zapewnić takie warunki, należało przeciwdziałać obniżeniu ciśnienia transmembranowego wzdłuż kanałów membrany. W przeciwnym razie dochodzi do znaczącego spadku wydajności filtracji typu cross-flow. Dostępne są ceramiczne membrany rurowe o różnym kształcie przekrojów hydraulicznych o wielokanałowej konstrukcji. Ceramiczne membrany rurowe charakteryzują się wysoką wytrzymałością na uszkodzenia związane z ich funkcjonowaniem, takie jak ubicie, rozwarstwienie czy też nabrzmienie elementów; eliminując tym samym zastosowanie w takich wypadkach membran polimerowych, które nie zawsze radzą sobie z niektórymi ekstremalnymi warunkami prowadzonych procesów jak choćby graniczne właściwości pH. Membrany ceramiczne w większości uzyskiwane są w procesach spiekania. Surowcami do ich produkcji mogą być: tlenek krzemu, tlenek cyrkonu, tlenek glinu bądź tlenek tytanu. W praktyce przemysłowej zachodzi potrzeba łączenia ze sobą poszczególnych modułów membranowych w zespoły. Podyktowane jest to wymogami jakościowymi i wydajnością, jaką ma spełnić instalacja membranowa w konkretnym przypadku. Każdy taki moduł membranowy posiada zakres wartości natężenia strumienia zasilającego – nadawy, w którym to może być użytkowany. Przy wartościach przekraczających zakres istnieje ryzyko narażenia modułu na zniszczenie spowodowane zbyt wysokim ciśnieniem. Przy wartościach niższych niż zakładane efekt separacji ulega znacznemu pogorszeniu. Rozdział na pożądane frakcje jest niezadowalający, wydajność procesu jest niska lub bardzo niska z możliwym wystąpieniem zjawisk takich jak fouling czy polaryzacja stężeniowa. Fouling membran jest skutkiem fizycznym, chemicznych oddziaływań pomiędzy powierzchnią membrany a składnikami cieczy poddawanej filtracji. Zwiększa opór hydrauliczny przepływu przez membranę, zmniejszając tym samym szybkość filtracji, a także skracając żywotność modułów membranowych, jest to skutkiem polaryzacji stężeniowej. Polaryzacja stężeniowa jest zjawiskiem polegającym na powstaniu tuż przy powierzchni membrany warstewki roztworu, który ma większe stężenie substancji zatrzymywanej przez membranę. Powoduje to zmniejszenie efektu rozdzielania membranowego. Niepożądane jest również zjawisko wytrącania się na powierzchni membrany osadów substancji po przekroczeniu ich rozpuszczalności. Sposobem na tego typu problemy może być zastosowanie hydraulicznego płukania wstecznego membran. Jednym z głównych wymagań stawianych modułom membranowym jest zapewnienie korzystnych warunków hydrodynamicznych w taki sposób, aby składniki zatrzymywane na membranie były z niej ciągle usuwane, w celu utrzymania wysokiej wydajności procesu.
Dobre rozpoznanie i zgłębienie mechanizmu rządzącego transportem przez membranę jest kluczowe, aby prawidłowo zaprojektować membranę, która usprawni proces filtracji krzyżowej i spełni wymagające warunki procesowe. Istotne są: porowatość, wielkość porów, wytrzymałość mechaniczna. Nie bez znaczenia jest różnorodność zastosowań instalacji, im bardziej uniwersalna membrana tym większe spektrum możliwości wykorzystania w przemyśle spożywczym. Warto zatem stosować opatentowane rozwiązania. Bez wątpienia procesy separacji membranowej należą do prężnie rozwijających się technik, umożliwiając na optymalizację kosztów, zwiększenie rentowności przedsiębiorstwa, wzbogacanie istniejącego asortymentu nowymi produktami i tym samym zwiększenie produkcji.
