CC BY
11УДК 664;66.081.63
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ОБРАТНООСМОТИЧЕСКОГО КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ
ПЛОДООВОЩНЫХ СОКОВ
В.А.Тимкин, кандидат технических наук, доцент, профессор, ФГБОУ ВО Уральский государственный аграрный университет
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 912 240 70 50; , Е-mail: [email protected] )
Л.А. Новопашин, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО Уральский государственный аграрный университет
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 (343) 371-3363, Е-mail: [email protected])
Ю.Б. Котлюба аспирант кафедры технологических и транспортных машин ФГБОУ ВО Уральский ГАУ
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 912-245-7287, Е-mail: [email protected] )
Рецензент Л.В. Денежко, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО Уральский ГАУ
(620075 Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, д. 42 тел. +7 (343) 371-3363, Е-mail: denejko@yandex. щ)
Ключевые слова: обратный осмос, баромембранные процессы, селективность, средняя скорость потока пермеата, критерий Пекле, плодоовощные соки.
Аннотация
Статья посвящена изучению вопроса оптимизации процесса обратноосмотического концентрирования плодоовощных соков. Предложен метод, основанный на решении сопряженной задачи гидродинамики и массообмена. Проведены исследования на лабораторной обратноосмотической установке. Получено универсальное отношение ю = Реп /Ре0 > 3,5, справедливое для всех типов соков, применяемых в экспериментах, при котором мембраны имеют максимальную селективность. Установлен гидродинамический режим процесса обратноосмотического концентрирования плодоовощных соков. Предложено уравнение для расчета рабочего давления процесса. Приведено обсуждение полученных результатов.
FEATURES OF THE PROCESS OF REVERSE OSMOSIS CONCENTRATION OF FRUIT
AND VEGETABLE JUICES
V. A. Timkin, candidate of technical sciences, associate professor, professor, Ural state agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Liebknecht st., 42 tel. +7 912 240 70 50;, E-mail: [email protected])
L.A. Novopashin, candidate of technical sciences, associate professor, Ural State Agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Libknecht str., 42 tel. +7 (343) 371-33-63, E-mail: [email protected])
Reviewer L.V. Denezhko, candidate of technical sciences, associate professor, Ural State Agrarian University
(620075 Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Karl Libknecht str., 42 tel. +7 (343) 371-33-63, Email: [email protected])
Keywords: reverse osmosis, baromembrane processes, selectivity, average permeate flow rate, Peclet criterion, fruit and vegetable juices.
Annotation
The article is devoted to the study of the optimization of the process of reverse osmosis concentration of fruit and vegetable juices. A method based on the solution of the coupled problem of hydrodynamics and mass transfer is proposed. Researches on laboratory reverse osmosis installation are carried out. A universal relation is obtained ю = Pеп/Рe0 > 3,5, it is valid for all types of juices used in experiments in which the membranes have maximum selectivity. The hydrodynamic regime of the process of reverse osmosis concentration of fruit and vegetable juices is established. The equation for calculation of working pressure of process is offered. The discussion of the obtained results is given.
Концентрирование различных растворов представляет большой практический интерес для многих отраслей пищевой промышленности. Как показывает мировой и отечественный опыт, наиболее перспективным методом концентрирования является обратный осмос, позволяющий осуществлять процесс при температуре окружающей среды, с малым расходом энергии, при минимальных потерях ценных веществ продукта [1]. В этой связи, разработка параметров процесса обратноосмотического концентрирования плодоовощных соков, с целью достижения максимальной проницаемости и селективности мембран, представляется актуальной задачей. Как показывает анализ исследований в данной области, практически все методы оптимизации баромембранных процессов направлены на снижение влияния концентрационной поляризации [1, 2], т.е. на уменьшение толщины пограничного слоя 5, в котором наблюдается повышение
концентрации раствора по сравнению с объемной концентрацией. На наш взгляд, наиболее рациональным является метод оптимизации, основанный на решении сопряженной задачи гидродинамики и массообмена в процессе обратноосмотического разделения раствора.
Для решения поставленной задачи были выполнены исследования на лабораторной обратноосмотической установке, устройство и принцип действия которой достаточно подробно приведены в [3 - 5]. В качестве исследуемых сред использован пермеат ультрафильтрационного разделения свежеотжатых соков — свекольного, яблочного и черносмородинового. Диапазон химического состава исследуемых сред (аминокислоты, витамины, углеводы, органические кислоты, минеральные вещества) охватывает практически все известные виды соков [6]. Эксперименты проводились с обратноосмотическими мембранами: МГА-100П (ацетатцеллюлозная с асимметричной структурой) и ОФМ-К (полиамидная композитная) производства ЗАО НТЦ Владипор, г. Владимир.
Предварительными исследованиями установлено [4, 7, 9], что селективность ф обратноосмотических мембран во многом зависит от средней скорости V потока пермеата в порах мембраны. При отсутствии потока пермеата через мембрану (ДP=0; V=0) ее селективность стремится к нулю, так как стационарное состояние в системе «раствор-мембрана-пермеат» может в этом случае установиться только при равенстве концентрации Со = Сп (где Со и Сп -концентрация растворенных веществ в объеме раствора и в объеме пермеата) по обе стороны мембраны. Выравнивание концентраций осуществляется за счет диффузионного переноса растворенных веществ из раствора через мембрану. Селективность резко падает и в случае больших скоростей потока пермеата. Таким образом, можно утверждать, что существует оптимальная скорость V потока пермеата, при которой обеспечивается максимальная селективность ф мембраны.
Характер зависимости ф (V) (рис. 1) определяется гидродинамическими условиями над мембраной (в нашем случае интенсивностью перемешивания) и концентрацией исследуемого сока. Снижение частоты вращения перемешивающего стержня с п=1000 м ин _ 1 до 100 м ин _ 1 при C=const приблизительно в три раза сокращает длину участка с максимальной селективностью и существенно (на 3 - 8%) уменьшает значение селективности. Рост концентрации сока при n=const также приводит к сокращению длины участков с максимальными значениями ф.
Такую зависимость ф (V), по-видимому, можно объяснить характером процессов массопереноса и гидродинамики в надмембранной области и в порах мембраны. Очевидно, что влияние надмембранной области на селективность обратноосмотической мембраны связано с эффектом концентрационной поляризации. Уменьшение или увеличение толщины области 5, за счет изменения интенсивности перемешивания, приводит к более или менее интенсивному диффузионному отводу молекул растворенных веществ от поверхности мембраны в объем сока.
Как известно, мерой отношения молекулярного и конвективного переносов вещества в потоке является критерий Пекле
Ре = V// Б , (1)
где /- определяющий размер системы; Б- коэффициент диффузии растворенных веществ. Из вышесказанного следует, что для преимущественно диффузионного распределения концентрации в надмембранном слое необходимо соблюдение условия, при котором внешний критерий Р е 0 = V5/Б 0 < 1, где Б 0 — коэффициент диффузии растворенных веществ в объеме сока.
В поре мембраны решающая роль в селективности принадлежит скорости потока пермеата, увеличение которой ослабляет диффузионный поток растворенных веществ в поре и, соответственно, повышает селективность мембраны. Отсюда следует, что для эффективного разделения в порах мембраны должно соблюдаться условие, при котором внутренний критерий Р е п= Vh/ Б п > 1, где И - толщина активного слоя мембраны; Б п - коэффициент диффузии растворенных веществ в поре мембраны.
Установленные экспериментами значения Р е 0 и Р е п показали, что максимальная селективность ф=0,975 для мембраны МГА-100П и ф=0,915 для мембраны ОФМ-К достигается при Р е 0 < 0,8 и Р е п > 1,5, что соответствует отношению И/5 = 1,8 - 5,0. В табл. 1 приведены значения Р е 0 , Р е п , И/5 и Р е п /Р е 0 , отвечающие условиям максимальной
^106, м/с
1,2,5,6 - Со = 5% СВ; 3,4,7,8 - Со = 15% СВ. Рис. 1 Зависимость селективности ф мембраны от средней скорости V потока пермеата при различной частоте вращения п перемешивающего стержня и различной концентрации Со, 1 = 20 °С
селективности обратноосмотических мембран для различных значений концентрации сока. В уравнении (1) было принято: h=2x10-4 м, Б П=0,5Б 0 (что соответствует примерно вдвое повышенной вязкости воды в тонких порах [8]). Следует отметить, что приведенные величины по своим значениям практически одинаковы для всех исследуемых соков.
Таблица 1 Значение Р е 0 , Р е П и Ы5 при максимальной селективности обратноосмотических мембран (1=20 оС)
С, % СВ Ре0 Ре 1 сп Ь/5 Реп/Рео
5 <0,8 >2,75 >1,8 3,44
15 <0,68 >2,34 >2,3 3,45
30 <0,56 >1,95 >3,2 3,48
45 <0,45 >1,5 >5 3,33
Полагая, что эффективность обратноосмотического разделения может быть определена отношением ю = Р е П /Р е 0 , получили, что при выходе мембраны на режим работы с максимальной селективностью выполняется универсальное отношение ю > 3,5, справедливое для всех типов соков с концентрацией от 5 до 45 % СВ. При повышении значений ю область максимальных значений ф расширяется, значения селективности становятся менее чувствительными к изменениям скорости потока пермеата V. Значения отношения внутреннего и внешнего критериев Пекле достигают величин ю = 4,46 - 5,2 (п = 1000м ин _ *). Падение значений ю, вызванное ухудшением перемешивания и ростом 5, приводит к снижению селективности, ю = 2,35-3,17 (п=100 м ин "
Однако, как видно из рис. 1, максимальная селективность мембран ограничена определенными значениями скорости V, при превышении которых наблюдается резкий спад ф. Значения ю на этих участках зависимости ф(У) становятся меньше своей оптимальной величины ю = 3,5, что обусловлено увеличением внешнего критерия Пекле, значения которого становятся больше единицы ( Р е 0 >1). Существенное влияние концентрационной поляризации при таких условиях обратноосмотического разделения приводит, на наш взгляд, к уменьшению толщины слоя связанной воды на поверхности и в порах мембраны, молекулы растворенных веществ увлекаются развитым потоком V в поры мембраны, что и вызывает столь значительное снижение величины ф.
Полученное отношение ю > 3,5 позволяет определить оптимальные скорости потоков раствора над мембраной и пермеата в порах мембраны, при которых будет осуществляться максимально эффективное разделение (табл. 2).
В нашем случае скорость потока раствора над мембраной характеризуется модифицированным критерием Рейнольдса
Яем = пём/у, (2)
где с1м - диаметр перемешивающего стержня; V - коэффициент кинематической вязкости
сока.
Таблица 2 Значения V, п и 11ем при максимальной селективности обратноосмотических мембран
С, % СВ Интервал скорости, V- 1 0 6 м/с п, с 1 Кем
5 2,5-6,8 >675 >26928
15 2,4-5,6 >745 >13920
30 2,4-4,0 >775 >4579
45 1,3-3,3 >850 >1585
Как видно из полученных результатов, диапазон оптимальных значений скорости потока пермеата V существенно сужается с ростом концентрации разделяемого сока, что может быть в первую очередь связано с более значительным влиянием концентрационной поляризации при увеличении С. Гидродинамический режим над мембраной, судя по результатам исследований, должен быть развитым турбулентным.
Для реализации оптимальных скоростей потока пермеата V необходимо определение рабочего давления P, которое должно быть приложено к концентрируемому соку. Учитывая, что оптимальные значения V (табл.2) расположены практически в области Пуазейлевского течения пермеата [4, 5, 7], а движущую силу процесса обратного осмоса АР при высоких значениях ф можно определить как разность рабочего и осмотического п давления [2]
ДР=Р - п, (3)
рабочее давление может быть определено по уравнению
Р=32У цп Ь/сС П + п, (4)
где - коэффициент динамической вязкости пермеата в поре мембраны; - диаметр поры мембраны; п - осмотическое давление сока.
Значение расчетного по уравнению (4) и экспериментального рабочего давления (табл.3) показывают удовлетворительную сходимость результатов; расхождение не превышает 5%. В расчетах по уравнению (4) принимались следующие значения параметров: сС п=40А, цп = 2 х 10 -3 Па-с, Ь = 2х 10 -4 м, п - по [4].
Анализ полученных результатов показывает, что при концентрировании плодоовощных соков до содержания сухих растворенных веществ С < 30% СВ рабочее давление практически для любого из исследуемых соков должно поддерживаться в пределах Р = 8,5-9,5 МПа, что будет обеспечивать высокую эффективность процесса обратного осмоса. При сгущении соков до
концентрации выше 30% СВ необходимо гораздо большее рабочее давление, достигающее, в зависимости от вида сока, 12 - 15 МПа. Это обстоятельство, на наш взгляд, следует учитывать при разработке промышленных установок для концентрирования плодоовощных соков.
Таблица 3 Значения рабочего давления и , при оптимальном режиме
концентрирования плодоовощных соков ^=20 оС).
С, %СВ Ррасч, МПа Р ЭКсп, МПа
Свекольный сок
5 3,43-8,72 3,50-9,90
15 4,37-8,19 4,95-9,95
30 6,51-8,36 7,15-9,95
45 10,49-11,50 10,55-11,95
Яблочный сок
5 3,68-8,98 3,70-9,15
15 5,29-9,11 5,35-9,25
30 8,62-10,47 9,10-10,70
45 14,22-15,25 14,35-15,50
Черносмородиновый сок
5 3,70-8,99 3,75-9,25
15 5,31-9,13 5,50-9,35
30 8,67-10,52 9,25-10,85
45 14,33-15,35 14,50-15,75
Список используемых источников:
1. Тамим А.И. Мембранные технологии в производстве напитков и молочных продуктов / А.И. Тамим (ред.-сост.). - Пер. с англ. - СПб.: Профессия, 2016
2. Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы. Теория и расчет. - М.: Химия, 1986
3. Тимкин В.А., Лазарев В.А., Минухин Л.А. Определение осмотического давления молочной сыворотки // Аграрный вестник Урала. 2014, №3 (121).
4. Тимкин В.А., Лазарев В.А. Определение осмотического давления многокомпонентных растворов пищевой промышленности // Мембраны и мембранные технологии, 2015, том 5, № 1, с. 48-56.
5. V.A.Timkin, V.A.Lazarev Determination of the Osmotik Pressure of Multikomponent Solutions in the Food Industri // Petroleum Chemistry Vol. 55 № 4 2015 pp. 301-307.
6. Химический состав российских пищевых продуктов: Справочник / Под ред. член-корр. МАИ, проф. И. М. Скурихина и академика РАМН, проф. В. А. Тутельяна. М.: ДеЛи принт, 2002
7. Тимкин В.А. Баромембранные процессы в производстве концентрированных плодоовощных соков и других жидких пищевых сред. Канд. дисс. М. ВГЗИПП, 1997. 218 с.
8. Дерягин Б.В и др. Поверхностные силы. - М.: Наука, 1985
9. Тимкин В.А. Определение осмотического давления сложных по составу растворов на примере пищевых водных сред // Аграрный вестник Урала. 2018. № 5 (172)
List of sources used:
1. Tamim Membrane technologies in the production of beverages and dairy products (ed.). - Per. with English. - SPb.: Profession, 2016
2. Dynarski Y. I. Baromembrane processes. Theory and calculation. - M.: Chemistry, 1986
3. Timkin V., Lazarev V., Minukhin L., Determination of osmotic pressure of milk whey / / Agrarian Bulletin of the Urals. 2014, №3 (121).
4. Timkin V. A., Lazarev V. A. Determination of the osmotic pressure of multicomponent solutions of the food industry // Membrane technologies, 2015, volume 5, № 1, pp. 48-56.
5. Timkin V. A., Lazarev V. A. Determination of the Osmotik Pressure of Multikomponent Solutions in the Food Industri // Petroleum Chemistry Vol. 55 № 4 2015 pp. 301-307.
6. Chemical composition of Russian food products: Reference book / Under the editorship of corresponding member. MAI, Professor I. M. Skurikhina and academician of RAMS, Professor V. A. Tutelyan. M: Delhi print, 2002
7. Timkin, V. A., in the production of concentrated fruit and vegetable juices and other liquid food media, Baromembrane processes. Kand. Diss. WGSIP M., 1997. 218 p.
8. Deryagin B., etc. Surface forces. - Moscow: Science, 1985
9. Timkin V. A. Determination of osmotic pressure of complex solutions on the example of food water environments. Agrarian Bulletin of the Urals. 2018. № 5 (172)
