Физическая сущность мембранных процессов

Если два раствора различной концентрации (растворитель один и тот же) разделены между собой полупроницаемой мембраной, то под действием осмотического давления растворитель начинает переходить из раствора с меньшей концентрацией в раствор с большей концентрацией. Движение растворителя осуществляется до тех пор, пока не наступает равновесие. Движение растворителя в обратном направлении можно осуществить, подействовав на раствор с большей концентрацией давлением, превышающим по величине осмотическое. Это явление получило название «обратного осмоса». Принципиальных отличий между микрофильтрацией, ультрафильтрацией, нанофильтрацией и обратным осмосом нет. Общим является то, что для разделения используют специальные полупроницаемые мембраны, процесс ведется под давлением, жидкость разделяется на 2 потока, один из которых называется концентратом, или ретентатом (то, что задерживается мембраной), а другой – фильтратом, или пермеатом (компоненты, проходящие через поры мембраны). Различия между этими процессами в получаемой величине разделения, типах мембран, рабочих условиях.

Микрофильтрация позволяет фракционировать белки по молекулярной массе – низкомолекулярные белки проходят через мембрану, а высокомолекулярные остаются в ретентате. Рабочее давление процесса – менее 10⁵Па. Размер пор мембраны 10^-1-10 мкм.

Рис.7. Принцип разделения молекул при микрофильтрации

вода

минеральные вещества

лактоза

белки

бактерии, молочный жир

Ультрафильтрация – это процесс молекулярной фильтрации через мембрану, имеющую настолько мелкие поры, что через них не проходят высокомолекулярные вещества (ММ > 2000). Например, при ультрафильтрации сыворотки можно получить белковый концентрат, не содержащий или почти не содержащий лактозы, солей, кислот и др. Рабочее давление процесса (2…15)∙ 10⁵ Па. Размер пор мембраны 10^-2-10^-1 мкм.

Рис.8. Принцип разделения молекул при ультрафильтрации

Диафильтрация – частный случай ультрафильтрации, при такой обработке происходит «вымывание» низкомолекулярных компонентов из раствора, а концентрации веществ не происходит.

Нанофильтрация – частичное обессоливание, когда часть солей (низкомолекулярных) проходит через мембрану, а часть остается в ретентате. Рабочее давление процесса (2…4) ∙ 10⁶ Па. Размер пор мембраны 10^-3-10^-2 мкм.

Рис.9. Принцип разделения молекул при нанофильтрации

Процесс обратного осмоса или гиперфильтрации также относится к молекулярной фильтрации, но через мембрану, имеющую очень мелкие поры, не проходят и низкомолекулярные вещества. Рабочее давление процесса до 10⁷ Па. Поры мембраны имеют размеры в пределах 10^-4-10^-3 мкм.

Рис.10. Принцип разделения молекул при гиперфильтрации

Обратный осмос позволяет осуществлять полную концентрацию раствора, т.к. мембраны пропускают только воду, а при ультрафильтрации происходит одновременно концентрирование и фракционирование жидкости по величине и структуре молекул. Причем при концентрировании обратным осмосом полностью сохраняются нативные свойства продукта, в отличие от выпаривания. Обратный осмос применяют самостоятельно и в сочетании с ультрафильтрацией.

Полупроницаемые мембраны изготовляют на основе ацетатов целлюлозы, целлофана, найлона, полиакрилнитрата, полиамида и др. Ядерные фильтры получают обработкой полимера пучком ионов, которые как микроиглы пронизывают полимер, оставляя треки. В процессе работы происходит частичная закупорка капилляров и необратимое уплотнение мембран, их гидролиз. Средний срок службы мембран около 1 года. Не решена проблема очистки мембран.

К мембранам, используемым в молочной промышленности, предъявляются следующие основные требования:

­ высокая скорость фильтрации и селективность;

­ отсутствие токсичных компонентов;

­ высокая химическая и термическая стойкость в широком диапазоне рН и температуры;

­ стойкость к воздействию микроорганизмов.

Мембраны второго поколения готовят из тефлона; они выдерживают температуру до 150^оС, хорошо моются.

В промышленности применяют главным образом 4 типа аппаратов, отличающихся формой фильтрующей поверхности:

1) аппараты спирального или рулонного типа, образованные путем спиральной намотки мембран вокруг трубы;

2) аппараты с трубчатыми фильтрующими элементами, имеющие цилиндрические мембраны, расположенные внутри или снаружи поддерживающих пористых труб;

3) аппараты с плоскими фильтрующими элементами, аналогичны фильтр-прессам;

4) аппараты с полыми волокнами, в которых мембраны образованы из очень тонких трубок капиллярного сечения.

Электродиализ – это перенос ионов из одного раствора в другой через ионоселективные мембраны под действием электрического поля, создаваемого между электродами, погруженными в продукт и расположенными по обе стороны мембраны (рис. 11).

Рис.11. Принцип разделения заряженных частиц при электродиализе

Электронейтральные вещества (лактоза, сахароза) в электродиализе не участвуют. В молочной промышленности электродиализные установки используют для деминерализации сыворотки (минеральные соли не нужны в продуктах для детей).

Катионитовые мембраны (отрицательный заряд) пропускают катионы и задерживают анионы; и наоборот – на анионитовых мембранах (положительный заряд).