CC BY
35
УДК: 664:579.22 (045)
Оптимизация параметров процесса микрофильтрации
для стерилизации фильтратов пробиотических культур
И.М. Сорокина, ассистент, А.Ф. Доронин, канд. техн. наук, профессор,
Т.И. Демидова, канд. техн. наук, доцент
Московский государственный университет пищевых производств
В настоящее время баромембран-ные процессы широко используются в различных областях промышленности для обеспечения высокого качества получаемых изделий: в химической и нефтехимической промышленности; в биотехнологии и медицине; в пищевой промышленности и
др. [2].
К основным баромембранным методам разделения жидких систем относят обратный осмос (ОО), ультрафильтрацию (УФ), микро-
Для улучшения показателей безопасности ФПК необходимо удалить остатки микроорганизмов и их фрагментов из фильтрата.
фильтрацию (МФ), нанофильтра-цию (НФ). В любом из этих процессов разделяемый раствор соприкасается с полупроницаемой мембраной. Вследствие особых свойств полупроницаемых мембран прошедшая через них жидкость (пер-меат) обогащается или обедняется одним или несколькими компонентами [3, 4, 6].
Отличительная особенность этих методов - размер задерживаемых частиц [5] (рис. 1).
Ключевые слова: фильтраты пробиотических культур; мембранные методы разделения; проницаемость; селективность.
Key words: pro-biotic cultures filtrates; membrane separation methods; permeability; selectivity.
Культуральные жидкости (КЖ) или фильтраты пробиотических культур (ФПК) - отходы производства бакпрепаратов и бакконцентра-тов - содержат промежуточные продукты и продукты бактериальной метаболизации пищевых компонентов питательной среды. Они представляют особую ценность в качестве основных и дополнительных ингредиентов при производстве функциональных продуктов питания (патент РФ № 2397246 «Комплексный обогатитель пищевого продукта»).
Для улучшения качественных и са-нитарно-микробиологических показателей безопасности ФПК необходимо удалить остатки микроорганизмов и их фрагментов из фильтрата, но при этом максимально сохранить физиологически активные вещества. Авторы данной работы предлагают использовать баромем-бранные методы для стерилизации ФПК.
Обратный осмос
Ульт р афиль т рация
Нанофилырация
Микрофильтрация
Традиционная фльт рация
I i i i i i i
0,001 0,01 0.1 1 10 100 1000
Размеры задерживаемых частиц, мкм
Рис. 1. Схема градации баромембранных методов по размерам разделяемых частиц (по Ватсону и Харнбургу)
Так как средний размер клеток бактерий равен приблизительно 0,5-1,5 мкм (500-1500 нм), то для их полного удаления необходим микропористый мембранный фильтр с размером пор менее 0,5 мкм (500 нм), т. е. необходима микрофильтрация ФПК.
При этом сохраняются все физиологически активные вещества: аминокислоты, белки, витамины, моно-, ди- и полисахариды. Данные о средних линейных размерах молекул некоторых веществ (нм) приведены в табл. 1.
По нашему мнению, для процесса микрофильтрации ФПК наиболее подходят трубчатые мембранные модули на основе керамики. Данные мембраны обладают рядом преимуществ: высокая пропускная способность, соответственно, более высокие показатели производительности, измеряемые потоком на единицу времени или площади; высокие (90-95 %) пористость и трещинос-тойкость; эксплуатация при высоких (1-1,5 МПа) прямом и обратном давлениях; температура эксплуатации до 900 °С, хорошо чистятся паром при температуре 130 °С - имеется возможность стерилизации паром; стойкость по отношению к чистящим средствам, таким как детергенты, кислоты, щелочи с рН 0-13 (за исключением фосфорной кислоты); поддаются очистке в производственном процессе (обратная промывка); стойкость в эрозионных потоках со скоростями 5-10 м/с; большой срок службы; стойкость к механическому воздействию и трению (внешнему воздействию); стойкость к микробиологическому воздействию; стабильность создаваемых структурных пор и возможность активного управления ими в процессе производства мембран [1].
Основная проблема при проведении баромембранных процессов -ослабление потока с течением времени (в основном из-за засорения пор мембран).
За первые несколько секунд с начала запуска мембраны на ее поверхности образуется концентрированный поляризованный слой, растворенные вещества накапливаются, со временем подвергаются необратимым изменениям и формируют на поверхности мембраны намывные слои. При этом концентрация растворенного вещества в пограничном слое у поверхности мембраны повышается [3].
К основным методам снижения концентрационной поляризации можно отнести применение аппаратов с узкими каналами, повышение
ENGINEERING AND TECHNOLOGY
температуры, пульсацию раствора, турбулизацию потока [3].
Метод турбулизации потока предполагает изменение конструкции мембранного модуля, что является затруднительным процессом. Использование узких каналов также невозможно, так как мембраны трубчатые.
С повышением температуры разделяемого раствора уменьшается его вязкость, увеличивается коэффициент диффузии растворенного вещества, и, как следствие, снижается концентрационная поляризация. Так как керамические мембраны имеют высокую температуру эксплуатации, то в данном случае снижение концентрационной поляризации за счет увеличения температуры оправданно. Эффективность этого метода особо очевидна в том случае, если на разделение поступает уже подогретый раствор.
Цель настоящих исследований состояла в изучении различных параметров процесса микрофильтрации ФПК на проницаемость мембраны с большей удельной производительностью, обеспечивающей полное удаление микроорганизмов и бактерий. Наиболее значимые факторы, влияющие на баромембранные процессы: рабочее давление процесса, температура, природа и состав растворенных веществ, показатель концентрации ионов водорода (рН среды).
При исследовании режимов микрофильтрации контролировали и измеряли следующие параметры процесса [3].
Удельная скорость микрофильтрации. Исследуемый фактор - основной параметр процесса микрофильтрации, J (м3/м2-ч). Определяется по формуле:
где С)— объем ФПК, м3; F — площадь поверхности фильтрации, м2; т- продолжительность фильтрации, ч.
Для измерения объема ФПК использовали мерные цилиндры объемом 0,5 л с ценой деления 1 мл.
Эффективная площадь фильтрации для трубчатой мембраны длиной I = 0,39 м, радиусом г = 0,003 м: Fэф, = 2-р-г! = 2 х 3,14 х 0,003 х 0,39 = 0,0073 м2, так как в трубчатом мембранном модуле восемь мембран, то Fэф = 8 х 0,0073 = 0,058 м2.
Продолжительность фильтрации определяли с помощью секундомера с точностью определения до десятых долей секунды, что обеспечивало
большую точность расчета проницаемости мембраны.
Ставилась задача выяснения поведения удельной скорости микрофильтрации под воздействием возмущающих факторов - управляемых параметров процесса.
Продолжительность процесса. Эксперименты по стерилизации ФПК с использованием процесса микрофильтрации проводили в течение 2,5-3 ч. Это наиболее рациональное время работы установки до момента регенерации (дезинфекции и стерилизации) мембран. Ставилась задача выяснения продолжительности эффективного фильтрования - периода, в течение которого обеспечивалась максимальная проницаемость мембран. Если проницаемость мембраны падала в разы — эксперимент останавливали.
Рабочее давление. Литературные источники предоставляют информацию о том, что производительность процесса мембранного разделения с увеличением давления асимптотически возрастает и при достижении определенной величины проявляется неявная, а в некоторых случаях обратная зависимость.
В связи с этим ставилась задача определения величины рабочего давления в качестве гидродинамического параметра потока, превышение которой не приводило бы к заметному росту производительности.
Поэтому эксперимент начинали с отметки 0,05 МПа, увеличивая давление с шагом 0,05 МПа в каждом последующем опыте. Предел роста величины давления ограничивался получением приблизительного равного объема фильтрата в последующих опытах.
Температура. С повышением температуры разделяемого раствора уменьшается его вязкость, увеличивается коэффициент диффузии растворенного вещества. Эксперимент начинали с отметки 20 0С и повышали до 60 0С.
Были определены технологические свойства мембран 0,2 и 0,4 мкм на исследуемом объекте - ФПК. Эксперимент проводили в течение 2 ч. В каждом опыте определяли рабочее давление и производительность керамических мембран по ФПК. Результаты приведены на графиках: зависимость проницаемости мембран (J) с диаметром пор 0,2 и 0,4 мкм от величины рабочего давления (рис. 2), зависимость проницаемости мембран (J) с диаметром пор 0,2 и 0,4 мкм от продолжительности процесса микрофильтрации (рис. 3).
Согласно данным, представленным на рис. 2, выбрали оптимальное
Таблица 1
Средние линейные размеры молекул
Вещество Диаметр молекулы, нм
Аминокислоты 0,5-1
Нуклеотиды 0,5-1
Белки, нуклеиновые кислоты, 3-200
Моно- и дисахариды 0,8-1
Полисахариды (макромолекулы) 3-200
Небольшие белки 1-4
Органические кислоты 1-100 0,4-0,8
Жировые шарики, липопротеиновые оболочки 0,1-1000
Неорганические ионы 0,2-0,4 300-1000
Дрожжи и грибы 1000-10000
Вода 0,2
J, м3/м2-ч 1,6 ■
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0 0,05
0,15 0,25 0,35 0,45 Р, МПа 0,4 мкм 0,2 мкм
Рис. 2. Зависимость проницаемости мембран с диаметром пор 0,2 и 0,4 мкм от величины рабочего давления
J, м3/м2-ч 1,6
1,4
1,2
1
0,8 0,6 0,4 0,2 0
Р = 0,4 МПа;
Р 0,2 мкм = 0,35 МПа
■ ■ -
0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 т, мин
—0,4 мкм 0,2 мкм
Рис. 3. Зависимость проницаемости мембран с диаметром пор 0,2 и 0,4 мкм от продолжительности процесса микрофильтрации
давление р = 0,4 МПа; Р^кмГ = 0,35 МПа.
Для оценки качества процесса фильтрования контролировали содержание микроорганизмов в бесклеточных фильтратах пробиоти-ческих культур (БФПК). Результаты анализов БФПК представлены в табл. 2.
Таблица 2
Показатель Размер пор, мкм
0,2 0,4
Содержание микроорганизмов млн кл/мл Не обнаружено Не обнаружено
Рис. 4. Зависимость проницаемости мембран с диаметром пор 7; 5 и 3 мкм от величины рабочего давления
J, м3/м2-12 ч
10 Р(3 мкм) = 0,2 МПа;
Р(5 мкм) = 0,1 МПа;
8 "ч Р„ , = 0,2 МПа (7 мкм) '
6 4
ГП | |
2
0 0 0,25 0,5 0,75 1,25 1,5 1,75 2 т, мин
—»- 7 мкм 5 мкм 3 мкм
Рис. 5. Зависимость проницаемости мембран с диаметром пор 7; 5 и 3 мкм от продолжительности микрофильтрации
■ . после 7 мкм после 5 мкм после 3 мкм
Рис. 6. Зависимость проницаемости мембран с диаметром пор 0,4 мкм от продолжительности микрофильтрации после предварительного фильтрования
При фильтровании на мембранах с пористостью 0,2 и 0,4 мкм происходило полное удаление бактериальных клеток и микроорганизмов, однако при использовании мембраны 0,2 мкм производительность мембраны резко снижалась с течением времени и пос-
т, мин
Рис. 7. Зависимость проницаемости мембран с диаметром пор 0,4 мкм от температуры и времени
ле 30 мин практически равнялась нулю.
Чтобы увеличить производительность мембраны с размерами пор 0,4 мкм, необходимо было провести предварительное фильтрование ФПК.
Для предварительного фильтрования были использованы мембраны с размером пор 7; 5 и 3 мкм. Полученный пермеат фильтровали на мембране 0,4 мкм.
Результаты опытов приведены на графиках: зависимость проницаемости мембран с диаметром пор 7; 5 и 3 мкм от величины рабочего давления (рис. 4) и продолжительности процесса микрофильтрации (рис. 5).
Предварительное фильтрование ФПК (рис.6) с диаметром пор 7 мкм не оказывало существенного влияния на конечный результат и увеличивало показатель проницаемости мембран с 0,25 до 0,3 м3/м2-ч.
На эффективность процесса микрофильтрации значительное влияние оказывало предварительное фильтрование ФПК с диаметром пор 3; 5 мкм и позволяло повысить проницаемость мембран в 5 раз (рис. 6). Однако мембраны с размером пор 5 мкм имели наибольшую производительность (рис. 5).
Полученные результаты исследований (рис.7) по микрофильтрации ФПК с размерами пор мембран 0,4 мкм после предварительной фильтрации ФПК с размерами пор 5 мкм при давлении 0,3 МПа свидетельствуют об эффективности данного процесса в зависимости от температуры 35...40 0С. Повышение температуры свыше указанного верхнего предела приводило к нежелательному увеличению сухих веществ в ФПК, ниже - к уменьшению пропускной способности мембран. В течение первых 60 мин наблюдали значительное снижение пропускной способности мембран. Далее процесс стабилизировался.
Таким образом, предложенная технология микрофильтрации обес-
печивает промышленную стерильность ФПК и позволяет получить конечный продукт с высокими качественными показателями. Проведение поэтапного фильтрования с использованием мембран с диаметром пор 5 мкм и 0,4 мкм при температуре 35.40 0С позволяет увеличить производительность мембран в 8 раз.
Данная работа выполнена по результатам исследований, проведенных в рамках Государственного контракта № 02.522.12.2009 «Разработка технологий универсального быстро-переориентируемого производства заквасок прямого внесения для биотехнологической промышленности» Министерства образования и науки Российской Федерации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Schmitz, P. Hydrodynamic aspects of crossflow microfiltration. Analysis of particle deposition at the membrane surface/P. Schmitz, D. Houi, B. Wan-delt/J. of membrane science. - 1992. -July- Volume 71.- Issues 1-2.-P. 29-40.
2. Бабенышев, С.П. Мембранная технология очистки растительного масла/С.П. Бабенышев, И.А. Евдоки-мов//Хранение и переработка сель-хозсырья. - 2008. - № 4. - С. 78-80.
3. Дытнерский, Ю.И. Баромемб-ранные процессы. Теория и расчет/ Ю.И. Дытнерский. - М.: Химия, 1986. - 272 с.
4. Евдокимов, И.А. Мембранные технологии в молочной промышленности/И.А.Евдокимов, Е.Р.Абдули-на//Переработка молока. - 2001. -№ 10. - С. 10-11.
5. Технология молока и молочных продуктов/Г.Н. Крусь [и др.]. - М.: Колосс, 2006. - 455 с.
6. Харитонов, В.Д. Концентрирование сыворотки методом мембранной дистилляции/В.Д. Харитонов// Хранение и переработка сельхозсы-рья. - 1999. - № 8. - С. 34-36.
