Techniki membranowe: Procesy membranowe

Szeroko stosowaną techniką w przemyśle spożywczym, zwłaszcza w sektorze mleczarskim, piwowarskim i winiarskim, cukrowniczym czy przetwórstwie i produkcji soków owocowych, są procesy membranowe. Opierają się one na fizycznej separacji cząsteczek (molekuł) z zastosowaniem do tego celu membran, będących półprzepuszczalną barierą dla cząsteczek o konkretnych rozmiarach, które mają zostać podzielone na wskazane frakcje. Membrana to inaczej przegroda stanowiąca integralną część procesu filtracji: odpowiadająca za transport materii pomiędzy fazami i tym samym za rozdzielanie faz poprzez przenikanie – przechodzenie konkretnych składników z jednej fazy do drugiej. 

Proces membranowy polega na przepuszczeniu zawiesiny, mieszaniny lub roztworu (czyli ogólnie surówki – nadawy, do której oczyszczenia dążymy) przez membranę. W efekcie nadawa (inaczej roztwór zasilający) zostaje rozdzielona na dwa strumienie: strumień permeatu oraz strumień retentatu. Strumień permeatu stanowi tę część strumienia zasilającego (nadawy, surówki), która przeniknęła przez półprzepuszczalną barierę – membranę. Pozostała część roztworu zasilającego, która przez membranę nie przeniknęła, nazywana jest retentatem. W membranach przechodzenie cząsteczek może zachodzić w różny sposób i w wyniku odmiennych mechanizmów. Separacja w membranie może być skutkiem mechanizmu nazywanego efektem sitowym: przechodzenia małych cząsteczek przez membranę i jednoczesnego zatrzymywania dużych cząsteczek. To, w jaki sposób zostaną „posegregowane” cząsteczki po obu stronach membrany z uwzględnieniem wielkości tych cząsteczek, ma wpływ wielkość porów zastosowanej membrany. Wielkość porów membrany wiąże się bezpośrednio z wyszczególnieniem wśród technik membranowych nazw procesów, w których otrzymuje się podział na frakcje o określonych wielkościach cząsteczek. Wyróżnia się mikrofiltrację, ultrafiltrację oraz nanofiltrację, zaś przedrostek w każdej z nazw pozwala na identyfikację rzędu wielkości separacji cząsteczek w każdym z rodzajów filtracji. Inny mechanizm transportowania cząsteczek przez membranę wykorzystuje różnicę w rozpuszczalności danej substancji i różnicę dyfuzji w danej membranie czy też różnicę w szybkości migrowania składników jonowych w membranach jonowymiennych. Można więc dokonać klasyfikacji procesów membranowych ze względu na technikę rozdziału: 

• ciśnieniowa – siłą napędową jest różnica ciśnienia (np. proces mikrofiltracji MF, ultrafiltracji UF, nanofiltracji NF, odwróconej osmozy RO),
• separacja dyfuzyjna – siłą napędową jest różnica ciśnienia cząstkowego, różnica stężenia, potencjał chemiczny; technika dotyczy separacji gazów z wykorzystaniem membran ciekłych,
• elektrodializa – siłą napędową jest różnica potencjału elektrostatycznego. 

Membrany z kolei można podzielić na membrany:

• lite,
• porowate,
• kompozytowe. 

Wśród membran porowatych można wskazać symetryczne i asymetryczne. Membrany zbudowane są z różnych materiałów, np. polimerów (octan celulozy, polichlorek winylu, poliakrylonitryl, poliamidy, polisulfony aromatyczne, polietery, poliwęglany), a w przypadku membran węglowo-ceramicznych – z tlenku glinu czy tlenku cyrkonu. 

Procesy membranowe mają szereg zalet i szerokie zastosowanie. W przypadku przemysłu mleczarskiego są wykorzystywane do „zimnej pasteryzacji”, polegającej na usuwaniu bakterii i zarodników z odtłuszczonego mleka. Wykorzystywane są także:

• do oddzielania miceli kazeiny,
• do separowania i frakcjonowania kuleczek tłuszczu z pełnego mleka,
• w procesach zagęszczania i demineralizacji serwatki i permeatu z ultrafiltracji mleka,
• do frakcjonowania białek serwatkowych
• do odsalania serwatki. 

Jeśli mowa o wspomnianych wcześniej procesach membranowych w przemyśle winiarskim i piwowarskim, powszechnie stosuje się w ich przypadku przepływ krzyżowy wina i klarowanie piwa, a także stabilizację wina za pomocą elektrodializy (w tej technologii naładowane membrany wykorzystuje się do usuwania niepożądanych jonów z wina). Z kolei w przemyśle przetwarzania soków owocowych membrany służą przykładowo do klarowania, zagęszczania czy odkwaszania produktów. Przemysł cukrowniczy zaś wykorzystuje procesy membranowe do realizacji zadań takich jak oczyszczanie oraz demineralizacja półproduktów i produktów. Nieoceniony jest także potencjał bardziej nietypowych technik membranowych, takich jak emulsyfikacja membranowa i elektrodializa kwasów organicznych, przykładowo z bulionu fermentacyjnego. Zakres zastosowań membran i procesów z nimi związanych niewątpliwie stale rośnie w różnych gałęziach przemysłu spożywczego. Użytkownicy doceniają je dzięki możliwości separacji cząsteczek w zakresach molekularnych, a także za:

• skalowalność technik: dostosowanie danego procesu membranowego dzięki modułowej budowie do niemal każdej skali produkcji,
• energooszczędność,
• fakt stabilności procesu pod względem przemian termicznych, chemicznych, biologicznych,
• możliwość budowania instalacji hybrydowych z możliwością łączenia procesów membranowych z konwencjonalnymi technikami rozdziału. 

Transport masy w membranach filtracyjnych zachodzi wskutek działania różnych sił napędowych. Siłą napędową procesu może być różnica ciśnień po obu stronach membrany (zgodnie z prawem Darcy’ego), różnica stężeń (zgodnie z prawem Ficka), różnica temperatury (zgodnie z prawem Fouriera) czy różnica ładunku elektrycznego (zgodnie z prawem Ohma). Z punktu widzenia spójnej, ekonomicznej i standardowej eksploatacji globalnie uznaną technologią membranową, która ma zastosowanie w przemyśle spożywczym, jest nanofiltracja – choć nie tylko ona. 

Proces nanofiltracji żywo zainteresował sektor przemysłu spożywczego, przyciągając jego uwagę ze względu na stosowanie niższych wartości ciśnienia niż te stosowanych w przypadku procesów odwróconej osmozy RO. Membrany nanofiltracyjne występują w różnych konfiguracjach, zależnie od zastosowań: służą do koncentracji, frakcjonowania i oczyszczania różnych produktów jadalnych z rozcieńczonych strumieni. Przemysł przetwórstwa spożywczego stosuje nanofiltrację w produkcji napojów, nabiału, olejów roślinnych i innych artykułów spożywczych w celu separacji, koncentracji/oczyszczania, odkwaszania, demineralizacji, redukcji liczby drobnoustrojów itp. Wyzwaniem w technologii membranowej jest ciągłe dążenie do opracowania niedrogich, wysoce wydajnych, a także trwałych membran. Ważnymi czynnikami w tym zakresie są przykładowo relacja między selektywnością a przepuszczalnością, starzenie fizyczne i zanieczyszczanie. Obecnie, z uwagi na zwiększające się koszty energii, rosnący popyt na produkty spożywcze o wyższej wartości odżywczej i zielone metody przetwarzania, często stosowana jest technologia nanofiltracji NF – chociażby w przemyśle farmaceutycznym, ze względu na różne zanieczyszczenia organiczne, takie jak antybiotyki i inne leki, zagrażające środowisku i niosące wysokie, realne ryzyko negatywnego wpływu na środowisko, a także z uwagi na zdrowie publiczne. 

Wiadome jest również to, jak istotne jest ponowne wykorzystanie wody. W produkcji żywności niezbędne i wręcz wymagane są skuteczne, a także ekonomiczne procesy odzyskiwania pierwotnej jakości wody, przywracania jej jakości. Techniki membranowe dają możliwość osiągnięcia tego celu przy jednoczesnej kontroli kosztów. Potencjał technologii membranowej jest nieoceniony, a jej wykorzystanie w zakresie oczyszczania ścieków, odzyskiwania wody, separacji substancji organicznych, nieorganicznych itp. powoduje, że na powrót stają się one cennymi, odzyskanymi związkami. 

Membrany nanofiltracyjne mają zdolność zatrzymywania jonów i małych cząsteczek organicznych z roztworu wodnego, choć jest to dosyć trudne ze względu na obecność soli i towarzyszące problemy operacyjne, takie jak przykładowe osadzanie się soli. Procesy membranowe są wykorzystywane do wydajnego oddzielania lub frakcjonowania związków o wysokiej wartości dodanej, odzyskiwania lub zagęszczania nutraceutyków, klarowania, dealkoholizacji, odwadniania, odkwaszania, biotransformacji i oczyszczania przemysłowych odpadów przetwórstwa spożywczego. Technologia membranowa zapewnia elastyczność w działaniu, a membranę można rozwijać lub modyfikować zgodnie z wymaganiami wsadu i separacji. 

W przemyśle spożywczym wykorzystywane są różnorodne technologie oparte na membranach. Oprócz wspomnianych: mikrofiltracji (MF), ultrafiltracji (UF), nanofiltracji (NF), istnieją także procesy osmozy bezpośredniej (FO), destylacji membranowej (MD), elektrodializy (ED), perwaporacji (PV) czy bioreaktory membranowe (MBR). Do zalet technologii membranowych należą:

• łatwość obsługi,
• pożądany stopień osiągnięcia czystości,
• łagodne warunki przetwarzania dla wrażliwych na ciepło związków spożywczych,
• zmniejszone zużycie energii,
• poprawa jakości produktu,
• zwiększenie wydajności (zwłaszcza w przypadku integracji kilku procesów).

Wysoce prawdopodobne jest, że w nadchodzących latach rola membran znacząco wzrośnie w zakresie waloryzacji odpadów pochodzenia rolno-spożywczego czy w ochronie środowiska – odzyskiwaniu wody. Będzie tak ze względu na unikalność cech separacji: możliwość pracy w niskich temperaturach, prostotę kontrolowania procesu, niewielką ilość potrzebnego miejsca w porównaniu do konwencjonalnych metod itp. 

Odpowiednia integracja procesu membranowego z linią produkcyjną może okazać się ekonomicznie opłacalna, ponadto przyjazne dla środowiska rozwiązania na większą skalę dla przemysłu rolno-spożywczego są w obecnej sytuacji rynkowej poszukiwane i wdrażane. Można spodziewać się, że procesy membranowe odegrają istotną rolę w zrównoważonym modelu gospodarki o obiegu zamkniętym w przemyśle biopochodnym, gdyż znacząco zmniejszają ślad węglowy i wodny. Niewątpliwie zastosowanie technik membranowych w przemyśle spożywczym umożliwia producentom żywności wprowadzanie nowych produktów, a także poprawę jakości istniejących produktów. Pozwala również na ograniczenie (lub wyeliminowanie) konieczności dodawania związków chemicznych do produktów spożywczych, oszczędność energii elektrycznej czy ograniczanie ilości odpadów i ścieków.