1.1 Теоретические основы мембранного концентрирования

Теоретические основы. Традиционным способом концентрирования ферментных растворов служит вакуум — выпаривание

1.1 Теоретические основы мембранного концентрирования

Традиционным способом концентрирования ферментных растворов служит вакуум — выпаривание.

Однако в связи с тепловой инактивацией ферментов выпаривание на вакуум — выпарных установках необходимо вести при низких температурах кипения растворов.

Другим путем предотвращения потерь активности ферментами при вакуум — выпаривании является сведение к минимуму контакта раствора с теплоагентом. В среднем потери активности при вакуум — выпаривании составляют 5 — 25%.

Широкое распространение в последние годы получил метод ультрафильтрации растворов высокомолекулярных веществ. Сущность этого метода сводится к форсированному прохождению растворителя через полупроницаемую мембрану, задерживающую растворенные вещества.

Прилагаемое положительное или отрицательное давление отличает ультрафильтрацию от диализа, основанного на обычной диффузии, где направление движения молекул определяется градиентом концентрации.

Благодаря ультрафильтрации появляется возможность проведения процесса концентрирования без фазовых превращений при температуре окружающей среды, а также возможность глубокой очистки ферментных растворов от балластных соединений.

Концентрирование раствора ультрафильтрацией не сопровождается увеличением содержания низкомолекулярных веществ и повышением ионной силы.

Частицы и молекулы с размерами меньше диаметра пор при ультрафильтрации проходят через фильтр (полупроницаемую мембрану) вместе с током жидкости.

Наилучшие результаты дает метод ультрафильтрации глобулярных белков, где существует достаточно четкая корреляция между диаметром частицы и ее фильтруемостью.

Ультрафильтрация через фильтр даже дистиллированной воды, в конце концов, приводит к замедлению этого процесса. При фильтрации жидкостей биологического происхождения это замедление наступает гораздо быстрее. В принципе такое замедление связано с действием как минимум трех факторов: первичной адсорбцией, т.е.

ионной и молекулярной адсорбцией частиц на поверхности мембран и на стенках пор; так называемой блокировкой, т.е. механической задержкой частиц внутри пор и образованием плохо проходимого или вовсе непроходимого слоя для жидкости из более крупных частиц над поверхностью мембраны; концентрационной поляризацией.

Адсорбирующая способность чистой целлюлозы мала, еще меньше она у таких ее производных, как нитро- или ацетатцеллюлоза, но пористые целлюлозные структуры ведут себя в этом отношении иначе.

Так, на 1 см2 мембранного фильтра (около 3 мг сухой клетчатки) поверхность пор достигает 10 м2, для миллипоровых фильтров эта величина в 5 — 10 раз выше. Такая поверхность может адсорбировать в виде монослоя 10 — 50 мг белка.

Помимо молекулярной адсорбции практически для всех ультрафильтров весьма высока и ионная адсорбция, обусловленная отрицательным зарядом целлюлозы, стекла, инфузорной земли и других материалов, из которых готовят фильтры.

Первичная адсорбция веществ на фильтре, как правило, уменьшается при увеличении разности давлений. Ее уменьшению в сильной степени способствует присутствие поверхностно-активных веществ в фильтруемом растворе.

Блокировка пор резко увеличивается в концентрированных растворах. Ей способствует также образование белками на внутренней поверхности пор монослоев, что ведет к сужению диаметра пор. Действие этих неблагоприятных факторов не ограничивается лишь замедлением скорости фильтрации.

Фильтры, как правило, удерживают значительное количество частиц, диаметр которых меньше диаметра пор. Причины, обуславливающие этот феномен, весьма разнообразны.

Главные из них: адсорбция под влиянием ван-дер-ваальсовых сил, попадание частиц в дефектные поры, адсорбция на ранее задержавшихся частицах и агрегация самих частиц, ведущая к завышению их истинного размера.

Из всех вариантов ультрафильтрации в препаративных целях наилучшие результаты дает проточный метод фильтрации. В этом случае образование на поверхности фильтра плохо проницаемого слоя («динамической» мембраны) из задерживаемых частиц снижается при помощи постоянного движения жидкости параллельно поверхности фильтра. Блокировка пор при проточной ультрафильтрации не предотвращается.

При ультрафильтрации происходит удаление тех компонентов, размеры которых меньше диаметра пор. Скорость ультрафильтрации для компонентов с коэффициентом v0, т.е. большим, чем у нефильтрующихся частиц, является неодинаковой и пропорциональна размерам частиц.

Поэтому при ультрафильтрации концентрация веществ с v=l будет оставаться неизменной, содержание в концентрате веществ с v=0 будет возрастать в степени, пропорциональной фактору концентрации, тогда как величины концентрации компонентов с l>v>0 будут промежуточными.

Используемые для ультрафильтрации мембраны должны обладать определенным размером пор, пропускать раствор с достаточно высокой скоростью и иметь минимальную адсорбирующую способность.

В настоящее время ряд предприятий и зарубежных фирм выпускает мембраны для фильтрации, в большей или меньшей степени удовлетворяющие этим требованиям. Наибольшее распространение получили анизотропные ацетатцеллюлозной мембраны, которые накладываются на пористые подложки.

В каталогах указаны величины молекулярных масс веществ, задерживаемых мембраной, но в действительности мембраны задерживают не 100% соответствующих макромолекул, а несколько меньше.

Отсюда следует, что для более полной задержки следует брать мембрану с меньшими, чем указано в каталоге, величинами пор. Следует также помнить, что способность проходить через мембрану зависит не только от молекулярной массы, но и от формы молекул.

Ферментные растворы представляют собой сложные коллоидные системы, состоящие из двух фаз: жидкой дисперсной среды и твердой (коллоидной) дисперсной фазы от 1 до 100мкм.

Коллоидные растворы не являются стабильными, при определенных условиях их частицы агрегируются и могут выпасть в осадок. Сольватная оболочка белка создается особо ориентированными молекулами воды и свободными радикалами, притягиваемыми к молекуле.

Чем больше сольватный слой, тем стабильнее коллоидный раствор. Сольватная оболочка является связующим звеном между растворителем и коллоидной частицей.

Осаждение ферментов из водных растворов можно вести органическими растворителями (этиловым и изопропиловым спиртом, ацетоном) и различными солями (сульфатами аммония, цинка, натрия, хлорида натрия).

Введение в водный раствор осадителя вызывает уменьшение притяжения молекул воды к молекуле фермента, а с увеличением концентрации осадителя падает количество молекул воды, участвующих в образовании сольватной оболочки молекулы белка.

Сольватная оболочка фермента разрушается, сила притяжения к молекулам осадителя падает, происходит уменьшение общей энергии сольватации всех молекул фермента.

В какой-то момент при определенной концентрации осадителя в среде энергия сольватации становится меньше энергии связи между двумя молекулами белка и наступает явление агрегации молекул и коагуляции белка.

Способность ферментов терять растворимость в присутствии органических растворителей и солей связана с диэлектрической постоянной, ее снижение в присутствии осадителей влечет за собой выпадение белков в осадок.

А так как диэлектрическая постоянная для различных осадителей различна, то и концентрация их, вызывающая полное осаждение ферментов, будет различна.

Кроме того, ферменты по-разному относятся к различным осадителям, что часто дает возможность фракционировать комплекс ферментов.

Оптимальные условия осаждения определяются экспериментным путем в каждом конкретном случае.

Помимо вида и концентрации органического растворителя и соли на процесс осаждения и сохранения активности ферментов в осадке влияют присутствие в растворе электролитов, температура осаждения, время контакта с растворителем, рН, при котором ведется осаждение, концентрация сухих веществ в ферментном растворе, их состав и т.д.

Дата добавления: 2015-04-16; просмотров: 4; Нарушение авторских прав

Источник: https://lektsii.com/1-163899.html

Введение

1.1 Теоретические основы мембранного концентрирования

Экология Мембранная очистка сточных вод промышленных предприятий
< Предыдущая СОДЕРЖАНИЕ Следующая >

Перейти к загрузке файла

Частицы растворенного вещества и растворителя находятся в беспорядочном тепловом движении и равномерно распределяются по всему объему раствора. Если поместить в емкость концентрированный раствор какого-либо вещества, а поверх него осторожно налить слой более разбавленного (менее концентрированного) раствора, то через некоторое время молекулы растворителя и растворенного вещества равномерно распределятся по всему объему жидкости. Самопроизвольный процесс перемещения молекул вещества, приводящий к выравниванию концентраций в растворе, называется диффузией. Диффузия, при которой процесс проникновения молекул в результате беспорядочного теплового движения осуществляется в обоих направлениях: из раствора с высокой концентрацией в раствор со слабой концентрацией, и, наоборот, из раствора со слабой концентрацией в раствор с высокой концентрацией — называется встречной или двусторонней.Частицы растворенного вещества и растворителя находятся в беспорядочном тепловом движении и равномерно распределяются по всему объему раствора. Если поместить в емкость концентрированный раствор какого-либо вещества, а поверх него осторожно налить слой более разбавленного (менее концентрированного) раствора, то через некоторое время молекулы растворителя и растворенного вещества равномерно распределятся по всему объему жидкости. Самопроизвольный процесс перемещения молекул вещества, приводящий к выравниванию концентраций в растворе, называется диффузией. Диффузия, при которой процесс проникновения молекул в результате беспорядочного теплового движения осуществляется в обоих направлениях: из раствора с высокой концентрацией в раствор со слабой концентрацией, и наоборот, из раствора со слабой концентрацией в раствор с высокой концентрацией — называется встречной или двусторонней.
Осмосом называется односторонняя диффузия через полупроницаемую перегородку — мембрану. Осмотическое давление раствора — количественная характеристика осмоса — равно гидростатическому давлению, при котором достигается (наступает) равновесие при односторонней диффузии через полупроницаемую мембрану. Полупроницаемая мембрана — это такая мембрана, через которую растворитель может проходить, а растворенное вещество нет. Такие перегородки существуют в природе, а также могут быть получены искусственно.При измерениях осмотического давления различных растворов было установлено, что величина осмотического давления зависит от концентрации раствора и от его температуры, но не зависит ни от природы растворенного вещества и ни от природы растворителя.Закон Вант-Гофа показывает для растворов электролитов невысоких концентраций зависимость осмотического давления от концентрации и температуры раствораP = C·R·T,(1.25)где Р — осмотическое давление раствора, кПа; С — объемная мольная концентрация раствора (молярность), моль/л; R = 8,314 Дж/моль — универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная температура раствора, К.Молярность раствора представляет собой отношение количества растворенного вещества к объему V в литрахC = n / V.или C = m / (M — V).(1.26)Подставляя выражение (1.26) в (1.25), получим:P.V = m·R·T / M. (1.27)Это уравнение позволяет по величине осмотического давления раствора определять мольную массу, а значит, и молекулярную массу растворенного вещества, следовательно, и объем выделяемого из раствора вещества.Если к раствору, отделенному от растворителя полупропорциональной мембраной, приложить внешнее давление (рис. 1.41), равное осмотическому давлению раствора, то осмос прекратится, следовательно, установится осмотическое равновесие.Рис. 1.42. Схемы осмоса: а — прямой осмос; б — осмотическое равновесие; в — обратный осмос; Н — осмотическое давление; р — рабочее давление; 1 — растворитель; 2 — полупроницаемая мембрана; 3 — растворЕсли же приложенное внешнее давление превысит осмотическое, то диффузия растворителя будет преимущественно происходить из раствора в фазу растворителя, т.е. в направлении, противоположном направлению переноса растворителя при осмосе. Такое явление получило название обратного осмоса. Таким образом, это непрерывный процесс молекулярного разделения растворов путем их фильтрования под давлением через полупроницаемые мембраны, задерживающие полностью или частично молекулы, или ионы растворенного вещества.Осмос широко применяется как один из наиболее экономичных способов опреснения воды. Солевой раствор (например, морская вода) отделяют полупроницаемой мембраной от пресной воды и подвергают давлению, более высокому, чем осмотическое давление раствора. В результате часть содержащейся в растворе воды «вытесняется» в пресную воду, а концентрация соли в оставшемся растворе повышается. Концентрированный солевой раствор периодически заменяется свежими порциями морской воды, подлежащей опреснению. Обратный осмос также используется для обессоливания воды в системах водоподготовки ТЭЦ и предприятий различных отраслей промышленности (полупроводников, кинескопов, медикаментов и др.); в последние годы начинает применяться для очистки некоторых промышленных и городских сточных вод. В процессе ультрафильтрации получают концентрат, содержащий органические вещества, а в процессе обратного осмоса — концентрат неорганических веществ и чистую воду.Обратным осмосом и ультрафильтрацией называются процессы фильтрования растворов через полупроницаемые мембраны под давлением, превышающим осмотическое давление.Мембраны пропускают молекулы растворителя, задерживая растворенные вещества. При обратном осмосе отделяются частицы (молекулы, гидратированные ионы), размеры которых не превышают размеров растворителя. При ультрофильтровании размер отдельных частиц dч на порядок больше. Условные границы применения этих процессов приведены в табл. 1.4.Таблица 1.4
Процессdч, mkm
Обратный осмос0,0001 0,001
Ультрафильтрация0,001-0,02
Макрофильтрация (гиперфильтрация)0,02-10

Таким образом, от обычной фильтрации такие процессы отличаются отделением частиц меньших размеров. Давление, необходимое для проведения процесса обратного осмоса (6-10 МПа), значительно больше, чем для процесса ультрафильтрации (0,1-0,5 МПа).

Достоинства метода:

  • 1. Отсутствие фазовых переходов при отделении примесей, что позволяет вести процесс при небольшом расходе энергии.
  • 2. Возможность поведения процессов при комнатных температурах без применения или с небольшими добавками химических реагентов.
  • 3. Простота конструкции аппаратуры.

Недостатки:

  • 1. Возникновение явления концентрационной поляризации, которое заключается в росте концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны. Это приводит к уменьшению производительности установки, степени разделения компонентов и срока службы мембран.
  • 2. Проведение процесса при повышенных давлениях, что вызывает необходимость применения специальных уплотнений для аппаратуры.

Эффективность процесса зависит от свойств применяемых мембран. Они должны обладать следующими достоинствами:

  • 1) высокой разделяющей способностью (селективностью);
  • 2) большой удельной производительностью (проницаемостью);
  • 3) устойчивостью к действию среды;
  • 4) постоянством характеристик в процессе эксплуатации;
  • 5) достаточной механической прочностью;
  • 6) низкой стоимостью.

Селективность процесса разделения определяют по формуле

где С0 — концентрация растворенного вещества в исходной воде; Сф — концентрация растворенного вещества в фильтрате.

Проницаемость определяется количеством фильтрата, получаемого в единицу времени с единицы рабочей поверхности

(1.28)

где Др — разность давлений воды до и после мембраны; Др0 — разность осмотических давлений; Кl — коэффициент пропорциональности, зависящий от проницаемости мембран.

Из выражения (1.28) видно, что скорость обратного осмоса прямо пропорциональна эффективному давлению (разности между приложенным давлением и осмотическим). Эффективное давление значительно превосходит осмотическое. Осмотическое давление для растворов некоторых солей с концентрацией 1000 мг/л (табл. 1.5).

Таблица 1.5

СольNaClNa2SO4MgSO4CaCl2NHCO3MgCl2
Осмотическое давление, кПа794225588967

В процессе очистки сточных вод некоторое количество растворенного вещества проходит через мембрану вместе с водой. Для мембран с высоким эффектом разделения этот проскок практически не зависит от давления и может быть определен по зависимости (К2 — константа для мембран, зависит от ее конструктивных особенностей)

здесь S — проскок растворенного вещества через 1 м2 мембраны, кг/сут.

Из данной формулы следует: чем выше концентрация загрязнения в исходной сточной воде, тем выше интенсивность проникновения веществ через мембрану. Существует несколько вариантов обратного осмоса.

По одному из них мембраны собирают воду, которая в поверхностном слое не обладает растворяющей способностью.

Если толщина слоя адсорбированных молекул воды составляет половину или более половины диаметра пор мембран, то под давлением через поры будет проходить только чистая вода, несмотря на то, что размер многих ионов меньше, чем размер молекул воды.

Прониканию таких ионов через поры препятствует возникающая у них гидратная оболочка. Размер гидратных оболочек различен у разных ионов. Если толщина адсорбированного слоя молекул воды меньше половины диаметра пор, то вместе с водой через мембрану будут проникать и растворенные вещества.

Простейшая установка обратного осмоса (рис. 1.43) состоит из насоса высокого давления и модуля, соединенных последовательно.

Для ультрафильтрации предложен другой механизм разделения. Растворенные вещества задерживаются на мембране потому, что размер их молекул больше, чем размер пор мембраны (табл. 1.4).

В действительности в процессе обратного осмоса и ультрафильтрации имеют место более сложные явления.

Мембранные процессы разделения растворов, осмотическое давление которых мало, называются ультрафильтрацией. Этот метод используется при отделении сравнительно высокомолекулярных веществ, взвешенных частиц, коллоидов. Ультрафильтрация более высокопроизводительный процесс, чем обратный осмос, т.к. проницаемость мембран достигается при давлении 0,2-1,0 МПа.

Очистка сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной, химической, нефтехимической и других отраслей промышленности гиперфильтрационными и ультрафильтрационными методами имеет ряд преимуществ перед традиционными методами очистки: невысокие энергозатраты; простота; компактность установок; возможность полной автоматизации; высокая эффективность очистки; возможность повторного использования фильтрата; утилизация полученного концентрата.

Недостатком метода является необходимость проведения процесса при высоком давлении в системе.

Производительность гиперфильтрационных и ультрафильтрационных аппаратов 5-1000 м3/сут. Основным элементом такого аппарата является мембрана, которая прочностью и низкой стоимостью.

Схемы работы гиперфильтрационных и ультрафильтрационных аппаратов в зависимости от состава сточных вод, необходимой степени очистки, а также производительности аппаратов могут быть одноступенчатыми и многоступенчатыми.

Для проведения мембранных процессов применяют непористые динамические и диффузионные мембраны, представляющие собой квазимогенные гели, и пористые мембраны в виде тонких пленок, изготовленные из полимерных материалов.

Наиболее распространены полимерные мембраны из ацитатцеллюлозы. Разрабатываются мембраны из полиэтилена, фторированного этиленпропиленового сополимера, политетрафторэтилена, пористого стекла, ацитобутирата целлюлозы и др.

Ацетатцеллюлозные мембраны, применяемые для обратного осмоса, имеют анизотропную структуру. Активный верхний слой ее толщиной до 0,25 мкм является слоем, в котором происходит разделение, а нижний — крупнозернистый слой (100-200 мкм) обеспечивает механическую прочность мембран.

Ацетатцеллюлозные мембраны устойчиво работают в интервале давлений 1-8 МПа, температур 0-30 °С и рН = 3-8. Для ультрафильтрации используют нитратцеллюлозные, а также полиэлектролитные мембраны. По структуре они аналогичны ацетатцеллюлозным мембранам.

Процесс мембранного разделения зависит от давления, гидродинамических условий и конструкции аппарата, природы и состава сточных вод, содержания в них примесей, а также от температуры. Увеличение концентрации раствора приводит к росту осмотического давления растворителя, повышению вязкости раствора и росту концентрационной поляризации, т.е. к снижению проницаемости и селективности.

Обратный осмос рекомендуется использовать при следующей концентрации электролитов:

  • — < 5-10 % - для одновалентных;
  • — < 10-15 % -двухвалентных;
  • — < 15-20 % - многовалентных солей.

Для уменьшения концентрационной поляризации организуют рециркуляцию раствора и турбулизацию прилегающего к мембране слоя жидкости, применяя, мешалки, вибрационные устройства и увеличивая скорость.

Природа растворенного вещества оказывает влияние на селективность. При одинаковой молекулярной массе неорганические вещества задерживаются на мембране лучше, чем органические.

С повышением давления удельная производительность мембран увеличивается, т.к. растет движущая сила процесса.

Однако при высоких давлениях происходит уплотнение материала мембран, что вызывает снижение проницаемости, поэтому для каждого вида мембран устанавливают максимальное рабочее давление.

С ростом температуры уменьшается вязкость и плотность раствора, что способствует росту проницаемости. При этом повышается осмотическое давление, которое уменьшает проницаемость.

Кроме того, при повышении температуры начинаются усадка и стягивание пор мембраны, что тоже приводит к уменьшению проницаемости, а также к возрастанию скорости гидролиза и сокращению срока службы мембран. Ацетатцеллюлозные мембраны при температуре 50 0С разрушаются, поэтому необходимо при работе соблюдать рекомендуемый интервал температур.

Конструкция аппаратов для проведения мембранных процессов должна обеспечивать большую поверхность мембран в единице объема, простоту сборки и монтажа, механическую прочность и герметичность.

В настоящее время применяются различные типы аппаратов для мембранных процессов, отличающиеся способом размещения и укладки мембраны:

  • 1) с плоскокамерными фильтрующими элементами, имеющими удельную площадь поверхности мембран 60-300 м2 на 1 м3 объема аппарата.
  • 2) с трубчатыми фильтрующими элементами, имеющие удельную площадь поверхности мембран 60-300 м2 на 1 м3 объема.
  • 3) с фильтрующими элементами рулонного или спирального типа с удельной площадью поверхности мембран до 20 000 м2 на 1 м3 объема.
  • 4) аппараты с мембранами изготовленными из полых волокон малого диаметра (45-200 мкм), имеющими удельную площадь поверхности до 20 000 м2 на 1 м объема; волокна из ацетатцеллюлозы или нейлона собираются в пучки длиной 2-3 м и располагаются в аппарате линейно или U-образно. Установки обратного осмоса состоят из большого числа элементарных модулей, которые соединяются параллельно или последовательно.

При параллельном соединении (рис. 1.44, а) все модули работают в одинаковых условиях — при одинаковом давлении и коэффициенте выхода фильтрата.

Производительность таких установок низкая. Последовательное соединение (рис. 1.44, б) модулей позволяет увеличить выход фильтрата. Раствор концентрата из первой ступени служит исходной водой для второй ступени.

Промежуточного насоса не требуется, т.к.к давление на выходе первой ступени незначительно отличается от давления на входе во вторую ступень (потери напора составляют 0,2-0,3 МПа).

Такая схема для двух- и трехступенчатых установок обеспечивает коэффициент выхода фильтрата 70-90 %.

Источник: https://vuzlit.ru/1272574/teoreticheskie_osnovy_membrannyh_protsessov

Теоретические основы мембранного концентрирования

1.1 Теоретические основы мембранного концентрирования

К основным процессам мембранной технологии относят: микрофильтрацию, ультрафильтрацию, нанофильтрацию, обратный осмос и электродиализ. Некоторые специалисты дополнительно выделяют гель-фильтрацию и ионный обмен [29, 308, 362, 363]. Процессы мембранной технологии являются фильтрационными.

Их классифицируют в соответствие с размерами пропускаемых или задерживаемых частиц. Движущей силой диализа является разность концентрации (градиент концентрации), при электродиализе — разность электрохимических потенциалов (градиент электрохимических потенциалов), в остальных случаях — градиент давлений.

Поэтому обратный осмос, нанофильтрация, ультрафильтрация и микрофильтрация называются баро-мембранными процессами [73, 74, 75, 187, 308]. Одинаковая организация процесса мембранного концентрирования обусловливает единство технологического цикла, который отличается только величиной рабочего давления и размерами пор применяемых мембран.

В таблице 1.1.1 приведены технологические параметры баромембранных процессов [295].

Под действием движущей силы процесса вещества концентрируются у поверхности мембраны с образованием двух потоков — пермеата, то есть жидкости, проходящей через мембрану, а также отводимой жидкости, со держащей задержанные мембранВыбор мембраны основан на знании молекулярной массы целевого продукта.

Недостаточным является знание среднего диаметра пор, поскольку большинство концентрируемых молекул способно к агрегации, изменяющей форму частицы, отличную от первоначальной (стерический фактор). На селективность оказывает влияние изоэлектрическая точка концентрируемого полиэлектролита, рН, ионная сила раствора.

В этой связи производители калибруют мембраны по молекулярной массе задерживаемых веществ.

Гетерогенные мембраны получают из смеси основного вещества и связующего полимера. Смесь компонентов подвергают вальцеванию, прессованию или экструзии при температуре, превышающей температуру текучести связующего элемента.

Для увеличения прочности листы гетерогенных мембран армируют капроновой или лавсановой тканью. Существуют и другие способы получения гетерогенных мембран.

Для обеспечения миграции веществ через гетерогенные мембраны важно обеспечить непосредственный контакт через частицы в полимерной матрице или через раствор, находящийся в каналах и порах между частицами [56].

Гомогенные мембраны, в которых основной компонент представляет собой сплошную непрерывную фазу, подразделяются на полимеризацион-ные, поликонденсационные, активированные, интерполимерные и мозаичные [56]. В связи с тем, что поликонденсационные гомогенные мембраны имеют низкую механическую прочность и химическую стойкость, они не нашли широкого применения.

Обратный осмос и ультрафильтрация не отличаются по методам получения мембран, аппаратурному оформлению и технологическим особенностям, за исключением того, что при ультрафильтрации растворов предъявляются более высокие требования к отводу вещества, концентрирующегося у поверхности мембраны, которое способно образовывать малорастворимые осадки или гелеобразные слои. В случае обратного осмоса необходимость использования более высоких давлений (5-Ю МПа), чем в случае ультрафильтрации, также предъявляет определенные требования к аппаратурному оформлению и технологии процесса. Методы получения мембран для баро-мембранных процессов подробно рассмотрены М.Т. Брыком с соавторами [28, 29].

Отличительной чертой процесса мембранного концентрирования является селективность мембран по целевому продукту, под которой понимают способность мембраны иметь заданную проницаемость по разным компонентам разделяемой смеси.

Это обусловливает преимущества мембранного разделения субстратов, к которым относятся: возможность одновременной очистки и концентрирования целевого продукта, как, например, при ультрафильтрации ферментов; осуществление безреагентного процесса разделения с исключением фазовых изменений и межфазных переносов при оптимальной температуре, определяемой технологическими требованиями производства; относительно низкие энергетические затраты на осуществление процесса, обусловленные отсутствием фазовых переходов; простота аппаратурного оформления одновременно с высоким уровнем автоматизации.

С увеличением размера пор в мембране возникает возможность удалять из раствора все большие частицы.

Вместе с тем также существенно возрастает рабочее давление как вследствие увеличения гидродинамического сопротивления мембраны за счет уменьшения диаметра пор и вклада в сопротивление течения слоев жидкости, сильно взаимодействующих с поверхностью пор (связанная жидкость), так и резкого возрастания осмотического давления раствора, градиент которого направлен в сторону, противоположную гидростатическому давлению. ой компоненты, то есть концентрат.

Комплексную переработку молочной сыворотки возможно наладить на основе изучения ее состава и свойств.

Несмотря на многочисленные результаты научных исследований, опубликованных на страницах отечественной и зарубежной печати [85, 144, 315, 328, 349, 415], нами в течение ряда лет проводилось изучение физико-химических характеристик подсырной сыворотки, полученной на предприятиях Ярославской области. Систематизированные данные по обсуждаемому вопросу приведены в таблице 4.1.1 (образцы подсырной сыворотки, не соответствующие нормируемым физико-химическим показателям, не учитывали).

Установлено, что состав и свойства подсырной сыворотки зависят от способа ее получения, а также других факторов (состава и свойств молока, периода сбора, вида вырабатываемого сыра, используемого оборудования и др.).

В этой связи интегральный показатель «доброкачественность» в большей степени варьировал у соленой сыворотки (разброс значений составил 17,1%) и превышал аналогичную характеристику у подсырной несоленой сыворотки в среднем на 16,4%.

Известно, что основными компонентами, изменяющими свою концентрацию при ультрафильтрационной обработке молочной сыворотки, являются азотистые вещества. С целью оценки эффективности процесса концентрирования белков молочной сыворотки изучен фракционный состав ее азотистых веществ. Анализируя результаты экспериментов, показанных в таблице 4.1.

2, можно констатировать, что состав азотистых веществ подсырной сыворотки является многообразным; компоненты белковой природы преобладают над небелковыми азотистыми веществами в 3,1-3,3 раза, причем количество сывороточных белков на порядок превышает остаточное количество казеина.

Это лишний раз доказывает целесообразность извлечения белковых компонентов из молочной сыворотки.

Из белковых фракций преобладают (3-лактглобулины (37,8-42,5% от всех содержащихся сывороточных белков), иммуноглобулины (25,0-28,8%) и а-лактальбумины (20,6-22,1%).

Неидентифицированных азотистых веществ белковой природы в молочной сыворотке содержится 0,07-0,08%, что в относительном выражении составляет 10,6-11,7% от содержания всех сывороточных белков.

Принято считать, что к этим веществам относятся протеозо-пептоны и макропептиды, отщепляемые от х-казеина сычужным ферментом при коагуляции [53]. Правомочно отметить, что неидентифицированные компоненты являются продуктами полиморфизма сывороточных белков.

Состав небелковых азотистых веществ многообразен, однако массовая доля их крайне низка: пептиды в абсолютном содержании составляют всего 0,05%, мочевина и другие амины — от 0,0010 до 0,0075%), Отметим, что соотношение различных фракций азотистых веществ, как правило, не зависит от объекта исследований.

Входящие в состав сывороточных белков аминокислоты обусловливают их физико-химические и биологические свойства (растворимость, кон-формационное строение, биологическую ценность и др.).

В силу выявлеино го соотношения аминокислот и преобладания гидрофильных над гидрофобными, детерминируемые аминокислоты обусловливают наличие на молекулах сольватных оболочек, которые формируют высокую стабильность белков. Как следствие, это будет определять характер взаимодействия сывороточных белков и мембран.

В абсолютном отношении общее содержание заменимых аминокислот в 1,3 раза превышает содержание незаменимых, однако при оценке биологической ценности можно считать сывороточные белки полноценными.

Источник: https://studexpo.ru/564022/tehnologiya_mashinostroeniya/teoreticheskie_osnovy_membrannogo_kontsentrirovaniya

Способ мембранного концентрирования

1.1 Теоретические основы мембранного концентрирования

Изобретение относится к концентрированию растворов, в частности мембранному концентрированию, и может быть использовано в пищевой, химической, фармацевтической промышленности.

Технический результат — интенсификация процесса концентрирования в многоступенчатой установке за счет того, что в каждой мембранной ступени производится отвод диффузионного пограничного слоя с повышенным содержанием задерживаемых веществ по отношению к концентрируемому раствору, который является исходным раствором для последующей ступени, а получаемый концентрат, образующийся в каждой ступени, используется в качестве подпитывающего раствора. 1 ил.

Изобретение относится к области концентрирования растворов и, в частности, мембранному концентрированию и может быть использовано в пищевой, химической фармацевтической промышленности.

Известен способ мембранного концентрирования [1], включающий две емкости, мембранный модуль, вентили, трубопровод. Концентрирование раствора осуществляется посредством циркулирования раствора по контуру, включающему мембранный элемент и основную емкость. При этом на поверхности мембраны образуется диффузионный пограничный слой с повышенным содержанием задерживаемых веществ по сравнению с концентрацией сгущаемого раствора, циркулирующего в системе. Диффузионный слой отводят в дополнительную емкость. Если концентрация раствора в этой емкости не достигает необходимой величины, его используют в качестве исходного раствора для последующего концентрирования. Недостатком данного способа является периодический процесс получения концентрата. Известен способ получения концентрата, включающий несколько мембранных модулей или ступеней концентрирования, трубопровод, насосы [2]. Исходный раствор, последовательно проходя все ступени, сгущается до необходимой степени. Количество отводимого фильтрата из системы компенсируется подпиткой исходного раствора из емкости. Недостатком данного способа является невысокая степень концентрирования. Необходимость получения более высокой концентрации продукта влечет за собой снижение производительности процесса. Целью изобретения является интенсификация процесса концентрирования в многоступенчатой установке, осуществляемая за счет того, что мембранные ступени концентрирования установлены таким образом, что концентрируемый раствор последовательно проходит через все ступени и приобретает необходимую концентрацию и в каждой мембранной ступени производится отвод диффузионного пограничного слоя с повышенным содержанием задерживаемых веществ по отношению к концентрируемому раствору, который является исходным раствором для последующей ступени, а получаемый концентрат, образующийся в каждой ступени, используется в качестве подпитывающего раствора. Предлагаемый способ концентрирования осуществляется с помощью установки, представленной на фиг. 1. Установка включает емкость для исходного раствора 1, циркуляционные насосы 2, обеспечивающие подачу исходного раствора в установку и циркуляцию сгущенного раствора, мембранные аппараты 3, представляющие собой ступени концентрирования, трубопроводы 4, 5, 6, 7, предназначенные соответственно для подачи исходного раствора в установку, для циркуляции подсгущенного раствора, отвода диффузионного слоя и фильтрата. Работа установки осуществляется следующим образом. Исходный раствор из емкости 1 насосом 2 по трубопроводу 4 подается на первую ступень концентрирования 3. В процессе концентрирования образуется подсгущенный раствор и фильтрат. Фильтрат по трубопроводу 7 выводится из установки, а подсгущенный раствор по трубопроводу 5 подается на насос 2 и возвращается в мембранный аппарат. Кроме того, при этом на поверхности мембраны образуется диффузионный пограничный слой, имеющий большую концентрацию, чем концентрация раствора, находящегося в канале мембранного аппарата, т.е. сгущенного раствора. Поэтому на следующую ступень концентрирования подается более концентрированный диффузионный слой. Это позволит добиться достижения заданной концентрации за меньшую продолжительность времени, т.е. увеличить производительность процесса. Литература 1. Патент РФ N 2118295. МКИ3 C 02 F 1/44. Опубл. 27.08.98. Бюл. N 24. 2. Фетисов Е.А., Чагаровский А.Л. Мембранные молекулярно-ситовые методы переработки молока. — М.: Агропромиздат, 1991, с. 104, рис. 5,3.

Формула изобретения

Способ мембранного концентрирования, включающий емкость для исходного раствора, насосы, трубопровод, мембранные ступени концентрирования, установленные так, что концентрируемый раствор последовательно проходит через все ступени и приобретает необходимую концентрацию, отличающийся тем, что в каждой мембранной ступени производится отвод диффузионного пограничного слоя с повышенным содержанием задерживаемых веществ по отношению к концентрируемому раствору, который является исходным раствором для последующей ступени, а получаемый концентрат, образующийся в этой ступени, используется в качестве подпитывающего раствора.

РИСУНКИ

Рисунок 1

Источник: https://findpatent.ru/patent/216/2168353.html

Scicenter1
Добавить комментарий