Концентрационная поляризация при ультрафильтрации молочного сырья Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

г

г г.

ИЗВЖТИЯ ВУЗОВ. ПИЩЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, № 1, 1992

637.132.001.24 : 66.067.38

•.V л1 -

.".■(•г? п ур л

- ."04.

о ш-

.4^^115 ез

|0-б; Е. Ы а<|1аС--1*82. —

1.. К и,’

а 1 оч^-р! ■ и

к. Кг;1:;.

14-^11.

■. I. I! и-

$ п.? 1(1 ар й

№ Ь(1

Ли. Акт. 40 ш:

г1 Г1 |.п

^ Т.И!1

й! ^-(-1. -

1- \. .1.,

I.

|." ] : м:-111

- — 12 и I I и

£сцз Ьпёг

^ 415. ■

На а.м. р ^ !.:■!?-к» Йр 47т-.

Ы ^ОЯ.ЗО

КОНЦЕНТРАЦИОННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ ПРИ УЛЫРАФИЛЬТРАЦИИ МОЛОЧНОГО СЫРЬЯ

К. К. ПОЛЯНСКИЙ, И. С. РОДИОНОВА Воронежский технологический институт

Проницаемость и селективность полупроницаемых мембран в процессе ультрафильт-рацнонного разделения молочных систем обусловливают прохождение через мембрану преимущественно водной лактозпо-солевой фракции. При этом повышается концентрация высокомолекулярных веществ в пограничном слое у поверхности мембраны. Отношение концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны к его концентрации в разделяемом растворе называют концентрационной поляризацией (КП). Она существенно влияет на рабочие характеристики мембран, так как повышение концентрации высокомолекулярных соединений может сопровождаться гелеобразованием, сокращением длительности активного цикла и частой регенерацией мембран. Повышение концентрации происходит до тех пор, пока диффузионный поток растворенного вещества из пограничного слоя в разделяемый раствор не уравновесится потоком растворенного вещества через мембрану, при этом устанавливается динамическое равновесие. Как известно, растворенное вещество переносится в пограничном слое молекулярной диффузней и конвекцией. Так как для веществ с большой молекулярной массой (>500), к которым относятся молочный жнр и белок, коэффициент диффузии очень мал [1], влияние КП на процесс существенно возрастает. Увеличение концентрации вещества у поверхности мембраны обусловливает изменение физико-химических характеристик разделяемого раствора, гидродинамики и, следовательно, истинных условий массопере-носа.

В этой работе приведены результаты экспериментов по изучению применения КП При ультрафпльтрационном концентрировании первых смывных вод с емкостей из-под сливок следующего исходного состава: жир —

1,5%, белок — 0,5%, лактоза — 0,3%.

Концентрирование осуществляли на плоско-камерной УФ-установке, укомплектованной мембранами типа УПхМ.

Как известно, различают два режима КП: предгелевый, когда концентрация у поверхности мембраны С3 ниже концентрации гелеоб-разовання Сг, и режим гелевой поляризации, при котором С3 = С,-.

В том случае, когда концентрация на поверхности мембраны достигает Сг, образуется слой геля, и система переходит в режим гелевой поляризации. Этот переход по шкале концентраций занимает 2—3 порядка, что позволяет предположить существование третьего, промежуточного переходного режима КП.

Рис

На рис. 1 показана зависимость относительной проницаемости СоАНр от концентрации жира в растворе Сж при Р = 0,35 МПа. Анализ кривы* (1, 2, 3 соответственно 30, 40, 50°С) показывает, что при ультрафильтрации первых смывных вод с технологического'оборудования отсутствует предгелевый режим КП. Резкое снижение относительной проницаемости при малом приращении концентрации растворенных веществ — участок Г свидетельствует о наличии переходного режима концентрационной поляризации. Участкам II, на кривых рис. 1 соответствует режим гелевой поляризации.

Экстраполируя продолжепие участков I кривых рис. 1 на ось абсцисс, можно определить концентрацию гелеобразования, соответствующую измепё'пчо режима КП [2]. Из полученного можно сделать вывод о существенном влиянии условий фильтрации (в данном случае температуры) на значение Сг. С повышением температуры увеличивается н значение Сг, характеризуя термолабильность образуемого геля. Учитывая, что молочный жнр — наиболее термолабильный компонент фильтруемого раствора, можно предположить его существенную роль в процессе гелеобразования. Расположение упомянутых участков II, со-ответствующщцрежиму гелевой поляризации относительно оси ординат, позволяет отметить зависимость относительной проницаемости от температуры, т. е. имеет место влияние условий фильтрации на структуру ,и свойства сфорйвдованпйй системы «мембрана—■ слойИеля».

Далее следует отметить, что при режиме ге^ левой поляризации отмечалось снижение эф-

44

^ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПИЩЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, № 1, 1992

[ | зтЭ тя

фективности влияния давления Р на проницаемость процесса С. Кроме того, экспериментальные данные по селективности мембран Ф в процессе концентрирования опровергают предположение о полном задержании фильтруемых веществ. При Сз = С|- гелевый слой обладает пористой структурой, диаметр пор которой соизмерим с размером белковых молекул, находящихся в растворе.

Таким образом, можно предположить, что мембрана с сформированным у ее поверхности гелем представляет собой единую полупроницаемую систему, над поверхностью которой располагается зона повышенной концентрации.

Концентрационную поляризацию определяли методом, основанным на использовании истинной селективности мембраны фи и известного уравнения:

1п = 1п (±^)+соп81 где фп — наблюдаемая селективность мембран; XV — скорость потока.

Представив экспериментальные данные в виде зависимости 1п[ (1—ф)/ф]== f (G/W0’4) экстраполяцией при С/^°'4 = 0, определяли величину 1п[( 1—фи)/фи]. Отсюда, зная концентрацию растворенного вещества в фильтрате, определяли Сз и кп.

На рис. 2 показана зависимость изменения КП от проницаемости С при различных изотермических условиях. Как видно из рисунка, концентрационная поляризация увеличивается с ростом проницаемости. В данном случае при постоянных значениях скорости потока и эквивалентного диаметра канала температура I выступает в роли турбулизирующего фактора. Действительно, увеличение I обусловливает уменьшение динамической и кинематической вязкости системы, а следовательно, увеличение числа Рейнольдса Ие для данного потока. Создание развитого турбулентного режима движения разделяемого раствора в межмембранном канале приводит к снижению концентрации растворенных веществ в погра-

ничном слое. На основании полученных данных можно предположить, что КП в процессе ультрафильтрации молочного сырья имеет достаточно высокий уровень и существенно влияет на массоперенос растворителя через полупроницаемую мембрану. В общем случае коэффициент массоотдачн р описывается выражением [2]:

р=АО (аэ)р-‘ (^~)Р( -|у)0'33.

где О — коэффициент диффузии; у — кинематическая вязкость; А и Р — коэффициенты, вытекающие из критериального выражения для массопереноса.

ЗЬ = АЯерЗс0"33,

где БЬ — критерий Шервуда; Бс—критерий Шмидта.

Коэффициент р является результирующим коэффициентом массопередачи процессов массопереноса вещества от ядра потока Р1 к поверхности мембраны и собственно через мембрану р2- При этом процесс массопереноса осуществляется непосредственно в области концентрационной поляризации, и следовательно, необходимо учитывать ее влияние на изменение условий процесса вследствие возрастания концентрации высокомолекулярных веществ у поверхности мембраны. В данной зоне значительно возрастает кинематическая вязкость раствора. Следовательно, наблюдаемый коэффициент массопередачи характеризует массоперенос в условиях, отличных от экспериментально фиксируемых гидродинамических условий в ядре потока.

С целью уточнения расчета процесса массопереноса получено эмпирическое выражение зависимости концентрационной поляризации от проницаемости мембран и турбулентности потока:

1пКП = 2,0- 10-2С—2,9- 10-4Ке— -9,9-10-3СКе+2,14.

С учетом концентрационной поляризации следует принимать кинематическую вязкость раствора в граничной зоне \’ = НС3), концентрация компонентов в которой равна:

Сз = С1КП,

где С[ — концентрация вещества в потоке; КП = (:(С, Яе) —концентрационная поляризация при данных условиях процесса.

Анализируя полученные экспериментальные данные, можно предположить следующее. При снижении проницаемости в процессе ультрафильтрационного разделения жир-и белоксодержащих растворов происходит снижение концентрационной поляризации, т. е. происходит изменение концентрации растворенных высокомолекулярных веществ у поверхности мембраны в сторону выравнивания ее с концентрацией данных веществ в потоке разделяемого раствора. Снижение концентрации высокомолекулярных соединений обусловливает снижение динамической и

иид.' н и.

■|Щ§

гггюЬг:’

кУО-'.!":'

Н.ОС I ч я Г'!' и ш м<и.: V-! # е;1й; I] .■и: .-,1 411'.

Т л £кга н.\мит|;; рчи ::н рекпг# ч

.п.гм Г'.'; 'П

Лтабйя И 1О 18Яе|

1. Яр!

рщ |.^.С ж и а и |.

!":■ I ■ н I ■. йIКг: П

£

лрс;н1!*ы| тмм 1.:-н-ы|

БЗеГС- йЗ| ]':■> шлкл У ка .и тяюкр ; ап.ТИ ::::

рот»: л*

2 \, иж

гоксн го иът, чис БХО.-^т

От яд я

р'ь у*.' :и

1Гп1К ни) СТЛАЛЯ?

Р^-рг

Кй!_ _ |_' V

З'игииг!1."

(■ода I

г; рп’.г^ и 64 0

№ 1, 1992

ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПИЩЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, № 2, 1992

45

Ыпых дан-Ь процессе имеет до-тцественно еля через щем слу-1исывается

. ^ 0,33

V — кнне-фициенты, ;ыражения

- критерий

тирующим ессов мас-а 01 к подрез мемб-еноса осу-асти кон-овательно, и измене-)зрастания веществ зоне зна-I вязкость мый коэф-,гет массо-;сперимен-[еских ус-

сса массо-!ыражение ляризации ментностн

ляризации ) вязкость , концент-а:

в потоке; поляриза-

шменталь-> следую-в процес-:ния жир-фоисходит (яризации, ■рации ра-зеществ у (Ьфавнива-зеществ в Снижение . соедине-[ической и

кинематической вязкости среды, увеличивается значение числа Г1е, что, как известно, интенсифицирует процесс массоперепоса, способствует возрастанию коэффициента мас-соотдачи в зоне концентрационной поляризации (32. Наблюдаемое снижение проницаемости мембран, вероятно, можно объяснить более интенсивным снижением коэффициента массоотдачи от ядра потока в примемб-ранную зону |3ь связанным с возрастанием концентрации, вязкости потока н уменьшением числа Рейнольдса.

Таким образом, можно предположить, что несмотря на существенное влияние концентрационной поляризации на условия массопе-реноса в системе раствор—мембрана, определяющими являются гидродинамические условия и концентрация в потоке разделяемого вещества.

Выводы

1. При ультрафильтрации молочного сырья наблюдаются переходный и гелевый режимы концентрационной поляризации.

2. Концентрация гелеобразования и свойства системы мембрана—слой геля зависят от условий проведения процесса.

3. Концентрационная поляризация определяется проницаемостью мембран и турбулентностью потока, в то же время оказывает существенное влияние на проницаемость и селективность мембран.

4. В процессе массоотдачи при ультрафильтрации молочного сырья в гелевом режиме КП решающую роль играет массоперенос растворителя от ядра потока к поверхности мембраны.

ЛИТЕРАТУРА

1. Тепел А. Химия и физика молока. — М.: Пищ.

пром-сть , 1979. — 623 с.

2. /Кем ко в В. П., Черкасов Н. Н., Иванов Н. Б., С а м о х и н а Р. Д. Переходный режим концентрационной поляризации в ультра- и микрофильтрации //IV Всес. конф. по мембранным методам разделения. — Тез. докл. — М — 1987. — Ч. 2. — С. 62.

Кафедра технологии

молока и молочных продуктов Поступила 30.10.89

633.854.78.002.3:665.347.8

НОВЫЕ ВИДЫ ВЫСОКОЖИРНЫХ ПЛАВЛЕНЫХ СЫРОВ, ОБОГАЩЕННЫХ Р-КАРОТИНОМ

Н. Ф. ЛАПШИНА, В. И. КАРПОВ, Б. И. БЕЛОВ, А. Г. АВЕТИКЯНЦ Московский коммерческий институт

Биологическую ценность плавленых сыров можно повысить введением провитамина А— р-каротина, обладающего способностью образовывать в организме человека витамин А, проявляющего антиокислителытые свойства в пищевых продуктах, уменьшающего риск злокачественных новообразований и обладающего антирадиационными и иммуностимулирующими свойствами [1, 2].

Указанные ценные и полезные свойства, а также жирорастворимость (3-каротина обусловили создание высокожирных плавленых сыров: пастообразного Солнечный и пастеризованного Витаминный. В их рецептуры (табл. 1, 2), помимо традиционно применяемых компонентов (сыров сычужных твердых, сметаны, масла, сыров для плавления и других), входит 30%-ная суспензия (5-каротина в жире. Оптимальная концентрация |3-каротина в сыре установлена на основе лабораторных исследований с учетом рекомендуемых суточных норм потребления витаминов [2, 3] и составляет 5 мг%.

Разработанный технологический процесс, кроме стандартных операций (мойка, зачистка, дробление сырья), предусматривает приготовление рабочего раствора (3-каротина (0,3% жировой эмульсии) из выпускаемой промышленностью 30%-ной суспензии (ТУ 64—6—140—86). Жировая эмульсия р-каро-

тина вводится в сырную массу непосредственно перед плавлением.

Таблица 1

Сырье Массовая доля СВ, % Жир в сухом веществе, % Вес, кг

Сыр Солнечный с массовой долей жира 55%

Сыры сычужные твердые мелкие (голландский, степной и др.) 56 45 200

Сыры сычужные твердые крупные (алтайский, советский и др.) 58 50 250

Сметана 27,5 20 50

Масло крестьянское сливочное , . 75 72 172,42

Молоко коровье сухое цельное 96 25 50

Сыр нежирный для плавления 40 61,8

Смесь триполифосфата натрия (17%) и натрия пирофосфорно-кислого трехзамещенного (5%) 20 102,0

Суспензия В-каротина в жире 30%-ная 99,7 69,7 0,17

Вода питьевая — 133,61

Всего 1020

Выход 1000