Mikrofiltracja: Mikrofiltracja w zakładzie

Mikrofiltracja w zakładzie

Do najczęściej stosowanych procesów membranowych opartych na różnicy ciśnień należą odwrócona osmoza (ang. reverse osmosis, RO), nanofiltracja (NF), ultrafiltracja (UF) i mikrofiltracja (MF). Podstawową korzyścią z procesów membranowych w porównaniu z tradycyjnymi technikami separacji jest fizyczny proces rozdziału bez konieczności stosowania przemian fazowych oraz możliwość zachowania pożądanych fizycznych i chemicznych cech kluczowych składników żywności. Dzięki ogromnemu postępowi technicznemu w ostatnich latach w produkcji membran, szczególnie w zakresie stosowanych materiałów czy technik wytwarzania, filtracja membranowa znajduje coraz nowsze zastosowania w przemyśle mleczarskim. Podczas gdy zastosowanie RO i UF jest stosunkowo dobrze rozpowszechnione, korzyści płynące z zastosowania mikrofiltracji są dopiero teraz wykorzystywane.

Mikrofiltracja (MF) to proces rozdziału, którego siłą napędową jest różnica ciśnień po obu stronach membrany. Średnica porów w membranie mieści się w zakresie od 0,1 do 10 μm, co pozwala na selektywny rozdział cząstek w fazie koloidalnej o masie cząsteczkowej >200 kDa. W zależności od średnicy porów stosowanej membrany cząsteczki większe od porów membrany są przez nią zatrzymywane i pozostają w retentacie (koncentrat), natomiast cząsteczki, których średnica jest mniejsza od średnicy porów membrany przenikają przez pory membrany tworząc permeat (filtrat, odciek). Ciśnienia stosowane w MF są rzędu od 0,01 do 0,1 MPa.

Pod względem struktury membrany do mikrofiltracji składają się z dwóch warstw: cienkiej półprzepuszczalnej warstwy aktywnej (od 10 do 100 µm) i grubszej (od 100 do 200 μm) relatywnie porowatej warstwy nośnej. Warstwy aktywna i nośna mogą być wykonane z tych samych lub różnych materiałów.

Moment przełomowy w zastosowaniu MF w przemyśle mleczarskim nastąpił w latach 80. ubiegłego wieku wraz z wprowadzeniem na rynek membran ceramicznych, co pozwoliło na zastosowanie koncepcji jednolitego ciśnienia transmembranowego (ang. uniform transmembrane pressure, UTP), opatentowanego przez Sanblom w 1974 roku. System UTP przyczynił się znacząco do zmniejszenia problemu zarastania membran (ang. fouling), którego główną przyczyną jest duże natężenie przepływu (tak zwana prędkość przepływu krzyżowego, ang. cross flow velocity) konieczne do uzyskania dużego natężenia odpływu permeatu (ang. flux) i odpowiedniej selektywności. Innowacyjność systemu UTP polega na zastosowaniu, oprócz pompy zasilającej i pompy recyrkulacji retentatu, pompy permeatu wywołującej przepływ permeatu równoległy do przepływu retentatu. Takie rozwiązanie gwarantuje niskie i jednolite ciśnienie transmembranowe na całej długości membrany, a dzięki temu minimalizuje zarastanie membran i stwarza możliwość wielogodzinnej pracy urządzeń MF.

Wprowadzenie dodatkowej pompy (permeatu) przyczynia się do wzrostu kosztów prowadzenia procesu. Prace prowadzone nad uzyskaniem jednolitego ciśnienia transmembranowego w alternatywny sposób doprowadziły do opracowania membran ceramicznych typu GP (ang. graded permeability) (t. j. Membralox GP, Pall Corp., East Hills, NY). Membrany GP mają równomierną grubość i porowatość selektywnej warstwy membrany, natomiast przepuszczalność warstwy nośnej zmienia się wzdłuż długości membrany, kreując większy opór wobec odpływu permeatu na wlocie retentatu, a mniejszy na wylocie. Dzięki takiemu rozwiązaniu, opatentowanemu przez Garcera i Toujas, możliwe jest utrzymania stałego i jednolitego natężenia permeacji wzdłuż całej długości membrany, eliminując tym samym konieczność wprowadzania pompy permeatu i koszty pracy.

Innym rozwiązaniem zmierzającym do redukcji kosztów operacyjnych związanych z zastosowaniem pętli recyrkulacji permeatu (tak jak w systemie UTP), przy jednoczesnej kontroli zarastania membran jest system Isoflux. Membrany Isoflux charakteryzują się stopniowym gradientem grubości aktywnej warstwy membrany wzdłuż jej długości (Saboya i Maubois, 2000), i równomierną porowatością ceramicznej warstwy nośnej. Membrany Isoflux zostały opatentowane przez Grangeon i in. (2002) i są produkowane przez Tami Industries (Nyones, Francja).

Usuwanie bakterii i przetrwalników

Celem tego procesu jest fizyczne usunięcie bakterii i przetwalników z mleka lub serwatki, bez zmiany składu chemicznego produktów. Proces mikrofiltracji w tym przypadku prowadzi się na mleku odtłuszczonym ze względu na możliwość zarastania (blokowania) membran przez kuleczki tłuszczowe, których średnica jest zbliżona do bakterii i przetrwalników zatrzymywanych przez membranę. Dodatkowo, problem blokowania membran został zminimalizowany dzięki zastosowaniu membran ceramicznych o właściwej średnicy porów (najczęściej 1,4 μm). Membrany te określane mianem membran trzeciej generacji umożliwiają prowadzenie procesu przy wysokich prędkościach przepływu i niskim ciśnieniu transmembranowym.

Do usuwania bakterii na skalę przemysłową obecnie stosuje się procesy: Tetra Alcross Bactocatch i Tetra Therm ESL. W procesie Tetra Alcross Bactocatch śmietankę oddziela się od mleka poprzez odwirowywanie, a mleko odtłuszczone poddaje się filtracji na membranach MF o średnicy porów 1,4 μm. Retentat i śmietanka poddaje się obróbce termicznej (115-130°C przez 4-6 sek.) i miesza z mlekiem odtłuszczonym po procesie MF z przeznaczeniem głównie jako mleko serowarskie. Odpowiednio prowadzony proces pozwala na redukcję liczby drobnoustrojów nawet o 99,9%. W procesie Tetra Alcross Bactocatch stosuje się membrany ceramiczne Membralox działające w systemie UTP.

Proces Tetra Therm ESL znajduje zastosowanie do produkcji mleka o wydłużonej przydatności do spożycia (ang. extended shelf life), w którym zastosowano minimalną obróbkę cieplną. Retentat po procesie mikrofiltracji i śmietankę poddaje się działaniu wysokiej temperatury, a następnie miesza z permeatem poddanym pasteryzacji. W dalszej kolejności, mieszanina jest homogenizowana i pakowana. Zastosowanie MF do usuwania bakterii pozwala na wydłużenie terminu przydatności mleka (16-21 dni) w porównaniu z mlekiem pasteryzowanym (6-8 dni), przy jednoczesnym uniknięciu posmaku gotowania, jak to ma miejsce w przypadku obróbki UHT.