Расчет удельного сопротивления динамических мембран при ультрафильтрации гетерогенных систем Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ного резонанса: Свидетельство об официальной регистрации про- ной системы методом д и ффе ре нциа ль ной сканирующей ка лори мет-

граммы для ЭВМ № 2001 610425. - М., 2001. Рии /; Изв' “Узов- Пищевая технология. - 2003. - № 5-6. - С. 80-82.

&. Тамова М.Ю., Бугаец Н А., Боровская Л.В., Миронова Кафедра технолопо1 „ „р1 ашоацнп ,штат,я

О.Х1. Изучение те р мод ниамич е ск и х св о йств и ел ков о - по л иса хар ид - Л ос туп ил и (о .10.03 с\

66.06 7.3:66.018

РАСЧЕТ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ МЕМБРАН ПРИ УЛЬТРА ФИЛЬ 'ГРАЦИИ 1 ТЛЕ РОГЕ ИНЫХ СИСТЕМ

сн:-

й

ШИ-

1 от-

111ЛН

ОН>

1ИК

Ъ-р?

if.ii.'

иРСКС!

51ЧС-

от

п

пне-

.рж.

Йггс;-

р;о-

ри: сл;> ж-; -Ьь-1*аи Ь .1^1 г.: г::

: Ил-

пн-; _

в---*' !3. -

"ПН1

И.С. РОДИОНОВА

Воронежская государственная технологическая академия

При концентрировании, фракционировании или очистке растворов высокомолекулярных соединений достаточно широко в лабораторных и промышленных условиях применяется мембранная фильтрация [1], Преимущества этого процесса - низкая энергоемкость, сохранение исходной структуры выделяемых веществ, их физико-химических, биологических и функциональных свойств. Мембранную фильтрацию растворов высокомолекулярных соединений осложняет способность таких систем образовывать надмолекулярные структуры при достижении критической концентрации вследствие преобладающего массопереноса растворителя сквозь мембрану. Образующаяся у поверхности мембраны структура - динамическая мембрана -создает дополнительное гидродинамическое сопротивление потоку растворителя, изменяя производственные характеристики процесса фильтрации. При ультрафильтрации гетерогенных систем поверхностные процессы на мембране имеют более сложный характер, так как в формировании динамической мембраны могут участвовать вещества различной природы.

Цель данной работы - исследование гидродинамического сопротивления динамической мембраны, образуемой при ультрафильтрации гетерогенных систем, содержащих протеины и триглицериды.

Объекты исследования - растворы а-казеина (0Д-3,0% мае.), состоящего из 4 фракций, отличающихся электрофоретической подвижностью, молекулярной массой, составом и последовательностью аминокислот в полипеитидной цепи [2]. В изученных гетерогенных системах а-казеин находится в виде казеи-нат-кальций-фосфатного комплекса, ассоциированного в мицеллы диаметром 130-160 нм со средней молекулярной массой до 108 КО. Концентрацию протеинов в растворе определяли методом Кофрани [3].

В исследуемые растворывводилиО,1-1,0% мае. (сг) смеси триглицеридов, содержащих различные жирные кислоты. Концентрацию триглицеридов в растворе определяли кислотным методом Гербера [3]. Полученные гетерогенные системы концентрировали ультрафильтрацией на плоскокамерном ультрафильтрацион-ном модуле с тангенциальной подачей разделяемого

раствора. Модуль укомплектован мембранами типа УПМ-450 (площадь поверхности мембраны 2,7 м2). Ультрафильтрацию проводили при температуре 208-228 К, давлении 0.1-0,4 МПа: скорость движения раствора в межмембранном канале (1.6-2.0 м/с) обеспечивала турбулентный режим движения.

Концентрационная поляризация в условияхультра-фидьтрации связана с конвективным подводом мицелл к поверхности мембраны. В результате накопления \ поверхности ультрафильтра глобул ос-казеина достигается критическая концентрация гелеобразования (9-10% мае.) [4], что приводит к их агломерации и коагуляции и переход)' исследуемой золь-гетерогенной коллоидной системы в гель. Образующаяся динамическая мембрана создает дополнительное гидродинамическое сопротивление потоку фильтрата, понижая объемный поток и увеличивая коэффициент задержания.

Согласно [5] при постоянном давлении объемный поток фильтрата/(0, м/с, определяется уравнением

г.. _±<1У АР А (11 .ЧУ- ; .4Л'

(1)

где Р - рабочее давление, Па; Км и - гидродинамические сопротивления ультрафильтра и динамической мембраны, г м; г} вязкость филырата. Па * с; А - площадь мембраны, \Г; V - объем фильтрата, м ; г — время, с.

Гид ро дина ми чес ко с со против л е ни е м е мора н ы Я е. 1/м:

Я, = г&,.

(2)

где г - сопротивление фильтрации, 1/м*: 6$ - толщина слоя динамической мембраны, м.

Сопротивление фильтрации

Г =£7(1 - е) р .

(3)

где а - удельное сопротивление, м/кг; е - пористость, %; р - плотность осадка, кг/м3.

Толщина слоя динамической мембраны м:

.*АЧ1 А К,

.-'!(! -в)р

(4)

где Я - коэффициент задержания. %; с* - концентрация вещества в растворе, кг/м3; к - доля вещества, переносимая от поверхности мембраны в раствор вследствие обратной диффузии.

Из уравнений (2-4) следует

а 1 г ■■ э а ь з

Время! сЧО’*

Рис. 1

к аУсьК{\-к)_ (5)

А

Выразим Ря в уравнении (1) через уравнение (5). Тогда

'.о 1 4У &

и - (6)

А Л Кмц + а¥сьЯ{\-к)г\ / А

Интегрирование уравнения (6) и его решение относительно V приводит к уравнению

, / г. + (7)

(АР)2 АР

При проведении исследований нами получены зависимости объемного потока при ультрафильтрации гетерогенных систем с содержанием триглицеридов сг 1,0% мае. (рис. 1, кривая 1) и не содержащих триглицериды (рис. 1, кривая 2) от времени фильтрования при pH 6,8, давлении 0,2 5 МПа, концентрации протеинов съ 0,29% мае. Объемный шток при разделении протеинсодержащих систем при прочих равных условиях выше в присутствии триглицеридов.

На рис. 2 показана зависимость 1/7" от времени (обозначения аналогичны рис. 1); установлено, что для растворов казеина к = 0,86. Отсюда следует, что при Экспериментально найденных значениях 1 - к = 0,14; съ =2,9 кг/м3; Ям= 0.95 ^ =2,3- 10'3Па-сиАР=2,5-105 Н/м2 расчет по угловому коэффициенту аппроксимирующих прямых приводит к удельному сопротивле-никшЗ,5 • Ю^и 18.3 ■ [О5 м/кг для протеиновых растворов содержащих и не содержащих триглицериды соответственно.

Удельное сопротивление полимерной пленки связано с размером глобул белка соотношением Козе-ни-Кармана [6 ]

а = 180 (1 - е)/(рс!%е\ (8>

где й?р - средний диаметр глобул а-казеина, нм.

Плотность мицелла-казеина составляет 1063 кг/м3. При диаметре мицеллы казеина 150 нм [3] по уравнению (8) получаем, что пористость динамической мембраны, образуемой при ультрафильтрации водно-про-

Рис. 2

теиновых систем, равна 0,41%, а при введении триглицеридов она увеличивается до 0,60%. После фильтрования 175 кг жиросодержащего водно-протеинового раствора в течение 100 мин количество триглицеридов, адсорбированных на поверхности мембраны, составляет 3,2 ■ 10'"3 г/м2.

Что проницаемость динамических мембран повышается при введении триглицеридов в раствор, подтверждают графики рис. 1. Более поверхностно-активные липиды [7] конкурентно адсорбируются на поверхности ультрафильтра, увеличивая расстояние между адсорбирующимися глобулами протеинов и снижая суммарную энергию их взаимодействия, что препятствует гелеобразованию согласно теории ДЭЛФО [8].

Накопление триглицеридов и глобул протеинов в примембранной области приводит к включению триглицеридов в матрицу протеинового геля. Это увеличивает размер ячеек гелевой сетки. Определяющее значение динамической мембраны как полимерной матрицы, дополнительно образуемой на поверхности ультрафильтра, отмечено при ультрафильтрации растворов полиэтиленгликоля. крахмала, желатины. Эффект модификации динамической мембраны при введении в раствор веществ, конкурентно адсорбирующихся на ультрафильтре, установлен при улътрафилътрации ла-тексов в присутствии сульфонола [9], что позволяет констатировать общий характер выявленных нами закономерностей ультрафильтрации пектиновых систем.

Таким образом, установлено влияние тргиглицери-дов в растворе на гидродинамическое сопротивление динамической мембраны, образуемой при ультра-фильтрационном разделении гетерогенных систем содержащих протеины и триглицериды. Накопление протеинов и триглицеридов в примембраной области вследствие концентрационной поляризации сопровождается стру кту ро о б раз о ва нием. При этом адсорбированные на поверхности мембраны более поверхностно-активные триглицериды разрыхляюще действуют на структуру казеинового геля, увеличивая его пористость и снижая гидродинамическое сопротивление. В результате возрастает проницаемость динамической

i

i

!

H

2.0

игли-

ътро-

ОВОГО

цери-

bi. CO" [ЮВЫ-

, под-

1КТИВ-

ia no-le ме-

1 СНИ-

э npe-еории

шов в триг-!ЛИЧИ-значе-ютри-ульт-■воров

КТ мо-

:нии в гея на ;ии ла-золяет ми за-i сис-

щери-шение дыра-ж со-шение зласти про во-эбиро-хтост-ггвуют гсорис-ние. В

■16СК0Й

протеиновой мембраны и интенсивность массоперено-са растворителя.

ЛИТЕРАТУРА

1. ДъпнерскийЮ.И. Баромембранные процессы. Теориям расчет. - М.: Химия, 1986. - 272 с.

2. Горбатова К.К, Биохимия молока и молочных продуктов. -М.: Легкая и пищевая пром-стъ, 1984. - 344 с.

3. Икихов Г.С., Брно Н.П. Методы анализа молока и молочных продуктов. -М.: Пищеваяпром-сть, 1971. - 422 с.

4. Измайлова В.Н., Ребиндер П.А. Структурообразование в

и^лгч.ОЬыл — лла.. наула. и /-т. — лио V.

5. ChudacekM.W., Fane A.G. // J. Membrane Sci. - 1984. -21. -№2. -P. 145-147.

6. Жужиков B.A. Фильтрование. ~ М.: Химия, 1980. - 378 о.

7. Русанов Д.И ., J!t'iui'-ii'K С-А., Жаров В=Т. Поверхностное разделение веществ. - Л.: Химия, 1981. - 184 с.

8. Вошцкий С.С. Курс коллоидной химии. - М.: Химия. 1976. 345 с.

9. Козлов С.В. Ультрафильтрация бутадиеп-стирольиого латекса •'/ Кол. журн. - 1996. - 58. - № 6. - С. 791-794.

Кафедра процессов и аппаратов химических и пищевых производств

[Joc/i’iynили 18 0 О'У '

(663.5+663.45)66.047

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА. СУШКИ ПРИ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ СПИРТОВОГО И ПИВНОГО ПРОИЗВОДСТВ

тт ш л тггт',г<4иа11 тг» а л та г’^гтл грт’п ri.iv. лаЬл\.,ли/111,

Астраханский государственный технический университет

В настоящее время в связи с развитием и укрупнением спиртового и пивоваренного производств возникла необходимость утилизации их отходов - спиртовой барды и пивной дробины. На основе последних возможно производство кормовых продуктов с высоких содержанием белка и других ценных компонентов. Это помогает также кардинально решить экологическую проблему, появляющуюся при сбросе неутилизи-рованных отходов в окружающую среду.

Единственно надежным спосооом консервирования барды и дробины является обезвоживание. Существуют различные технологические схемы обезвоживания, однако их использование требует тщательного технико-экономического анализа.

Ценность послеспиртовой барды в значительной степени увеличивается, если на ней выращивать кормовые дрожжи [1]. По сравнению с растительными кормами (жмыхи, шроты и пр.) эффективность использования дрожжей на 12-15% выше, при этом расход кормов сокращается на 8-10% [1]. Применение кормовых дрожжей экономически выгодно как в рационах с недостатком животных белков, так и частично взамен рыбной муки, стоимость которой более чем в 2 раза выше стоимости дрожжей [2].

В технологическом процессе получения продуктов микробиологического синтеза, в частности кормовых дрожжей, одной из основных операций яв.ляется стадия концентрирования и сугшки, которая в значительной степени определяет качество готового продукта, энерго- и материалоемкость производства и уровень загрязнения окружающей среды.

В промышленности для высушивания дрожжевой суспензии и пивной дробины наиболее часто применяют либо вальцовые, .либо распылительные сушильные установки [3, 4].

Достоинствами вальцовых сушилок являклся непрерывная сушка при довольно высоком поверхностном испарении, экономичность сушки вследствие малых потерь тепла с отработавшим воздухом. Недостатки - это сравнительно высокая влажность высушенного продукта, возможность его перегрева из-за высокой температуры вальцов (140-150°С) в конце процесса сушки, что приводит к частичной инактивации белка и аминокислот в товарном продукте (до 15%) [4].

Один из эффективных способов конвективной сушки дрожжевой суспензии и пивной дробины - сушка в распыленном состоянии |3]. Сущность ее заключается в том, что суспензию диспергируют с помощью специальных приспособлений - распиливающих устройств - и высушивают в потоке сушильного агента. При высокой степени дисперсности распыленного материала процесс протекает практически мгновенно. Это позволяет использовать высокотемпературный сушильный агент при сушке термолабильных материалов без снижения качества продукта.

Специфика процесса обусловливает ряд характер-

ш:г¥ 11 1ЛП'г:( - г п г~ гл гл • 1 гг I. т С Г Г' < пи

1 I иI I ( ^п :. ! ) 1Ц01.1 Л VV ) Ш ]\ И |11 Ы^ Г| I-1 ч.':VI . ОО! V'.'

кое качество сухих кормовых дрожжей, высокая интенсивность тепломассопереноса между' диспергируемым материалом и газом-теплоносителем, возможность управления процессом, непрерывность сушки.

К недостаткам метода следует отнести низкую вла-гонапряженность сушильного объема, что приводит к увеличению габаритных размеров распылительных сушилок [3].

Конструктивное оформление распылительных сушильных камер многообразно. Помимо отличий, обу-словленных методом распыла жидкости (дисковые иди форсуночные камеры), на конструкцию влияет способ газоподвода: с нижним газоподводом, верхним газоподводом и коническим днищем, верхним газоподводом и плоским днищем.