Закономерности концентрирования творожной сыворотки методом нанофильтрации Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 66.974.434

Закономерности концентрирования творожной сыворотки методом нанофильтрации

КОСТЮКОВ Дмитрий Михайлович, аспирант,

ФГБОУ ВПО ВГМХА им. Н. В. Верещагина, г. Вологда.

КУЛЕНКО Владимир Георгиевич, кандидат технических наук, доцент,

ФГБОУ ВПО ВГМХА им. Н. В. Верещагина, г. Вологда.

ДЫКАЛО Николай Яковлевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник,

ФГБОУ ВПО ВГМХА им. Н. В. Верещагина, г. Вологда.

КОСТЮКОВ Евгений Михайлович, кандидат технических наук, доцент,

ФГБОУ ВПО ВГМХА им. Н. В. Верещагина, г. Вологда.

ШОХАЛОВ Владимир Алексеевич, кандидат технических наук, доцент,

ФГБОУ ВПО ВГМХА им. Н. В. Верещагина, г. Вологда.

ШЕВЧУК Владимир Борисович, кандидат технических наук, доцент,

ФГБОУ ВПО ВГМХА им. Н. В. Верещагина, г. Вологда.

Аннотация: в статье исследованы основные закономерности концентрирования творожной сыворотки методом нанофильтрации и определены оптимальные условия проведения процесса.

Ключевые слова: творожная сыворотка, нанофильтрация, концентрирова-

ние

Арсенал методов переработки молочной сыворотки достаточно широк, однако при выборе того или иного решения, возникает вопрос о прибыльности данного метода. Помимо стоимости оборудования, большое значение имеет его энергоэффективность, надёжность, легкость управления и качество конечного продукта. Наиболее перспективные технологии переработки молочной сыворотки основаны на мембранных методах разделения. Технологии микрофильтрации, ультрафильтрации и обратного осмоса хорошо зарекомендовали себя в данной сфере. Однако ни

один из этих методов не в силах решить сразу три основные проблемы, связанные с переработкой творожной сыворотки: низкое содержание сухих веществ, высокая минерализованность, высокая кислотность. Данное обстоятельство обуславливает необходимость применения рациональных технологий концентрирования, деминерализации и раскисления. Анализируя данную ситуация, нельзя не обратить внимание на новый баромембранный метод разделения растворов — нанофильтрацию, главными достоинствами которого являются: высокая экономичность концентрирования и эф-

фект частичной деминерализации при обработке сыворотки. Высокая проницаемость нанофильтрационных мембран для одновалентных солей и низкая для органических веществ и ценных многовалентных солей выгодно отличает данный метод. Нанофильтрация занимает промежуточное положение между обратным осмосом и ультрафильтрацией. Давление при нанофильтрации колеблется от 5 до 40 бар, а размер пор от 0,5 до 10 нм [1].

Современные исследования в сфере нанофильтрации сыворотки, по большей части связаны с переработкой подсыр-ной сыворотки, в то время как информация о нанофильтрации творожной сыворотки, практически отсутствует.

В связи с этим были поставлены следующие задачи: установить основ-

ные закономерности концентрирования творожной сыворотки методом нанофильтрации и определить оптимальные условия проведения процесса.

Был исследован процесс нанофильтрации сыворотки, полученной на ФГУП УОМЗ ВГМХА имени Н.В. Верещагина при производстве творога обезжиренного ГОСТ Р 52096-2003. Средние значения основных технологических параметров сыворотки представлены в таблице 1.

Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 1.

Характеристики установки и нано-фильтрационной мембраны представлены в таблице 2.

Фактор сжатия определялся как отношение между первоначальным и конечным объемом продукта в баке:

Таблица 1. Основные технологические параметры творожной сыворотки

Параметр Значение

Массовая доля сухих веществ, % 6,0

Массовая доля минеральных веществ, % 0,6

Титруемая кислотность, °Т 65

Активная кислотность, ед рН 4,5

Электропроводность, мСм/см 8,7

I 1

10

г — г Г

^ ~ ^ <3= Ч- '

I - продуктовый бак 2,3 - ручной клапан

4 - насос

5 - предохранительный клапан 6,9 - манометр

7 - мембранный модуль

8 - расходомер 10 - игольчатый вентиль

II - термометр 12 - теплообменник

Модуль

11

ЗУ АУ А] \_б_

Рисунок 1. Схема экспериментальной нанофильтрационной установки

Таблица 2. Характеристики нанофильтрационной установки

Мембрана

изготовитель: Владипор

материал: Полипитеразинамид

марка: РН 33 Н

активная площадь S, м2 2

температура, °С < 40

давление P, бар < 25

Установка

Объем бака, V 50л

Насос: САТ РиМР, 311

мощность 2,2 кВт

расход 900л/ч

8

7

^ 5 4

3 ---------------------------------

15 20 25 30 35 40 45 Температура, °С

Рисунок 2. Зависимость давления начала фильтрации от температуры

80

О 5 10 15 20 25 30

Давление Р, бар

Ш=40°С Д| 30 • ’ СН=20°С

Рисунок 3. Зависимость удельной скорости фильтрации от давления при фиксированных значениях температуры

N =

(V - у6)

Давление, температура, электропроводность и скорость фильтрации регистрировались соответственно манометром, термометром, кондуктометром и расходомером. Все графики построены по усреднённым значениям пяти экспериментальных выработок, максимальное отклонение от средних значений не превышало 5 %.

В первую очередь была определена величина давления начала фильтрации от температуры, т. е. минимальное дав-

ление, необходимое для перехода процесса нанофильтрации в рабочий режим.

Как показано на рисунке 2, давление начала фильтрации существенно снижается (с 7 бар до 4,4) при повышении температуры. Также повышение температуры оказывает положительное влияние на скорость фильтрации и, следовательно, производительность процесса (рис. 3.) во всем диапазоне давлений. Как и ожидалось, наилучшие динамические характеристики были получены при температуре 40 °С и давлении 25 бар. Следует отметить, что повышение температуры с 20 до 40 °С дает увеличение скорости фильтрации

80

70

60

1—Ч , 50

А 1-і 40

30

20

10

0

У = 8.76ІХ2 - 6( ,28х + 129.6

К; = 0 999

12 3 4

Фактор объемного сжатия, N при і = 40°С п Р = 25 бар

Рисунок 4. Зависимость скорости фильтрации от фактора объемного сжатия

80 70 ег 60 ^ 50 Г; 40 ^ 30 20 10 о

0 5 10 15 20 25 30

Время т, мин при I = 40°С п Р = 25 бар

Рисунок 5. Зависимость скорости фильтрации от длительности процесса нанофильтрации

практически в 1,5 раза, при давлении 25 бар. Зависимость удельной скорости фильтрации от фактора объемного сжатия показана на рисунке 4. По мере концентрирования сыворотки, скорость фильтрации снижается, вследствие нарастания вязкости и плотности продукта, а также ввиду увеличения концентрационной поляризации.

На рисунке 5 представлена зависимость удельной скорости фильтрования от времени, которая носит практически прямопропорциональный характер. По

окончании процесса был получен концентрат с содержанием сухих веществ 20 %.

Исходя из вышеизложенного, следует: повышение температуры улуч-

шает энергетические и динамические характеристики процесса нанофильтрации; обработка при температуре 40 °С и давлении 25 бар является наиболее целесообразной; при достижении фактора объемного сжатия 3,5-4 процесс следует завершить.

Список литературы:

Properties of nanofiltration membranes ; model development and industrial application / by Johannes M.K. Timmer. - Eindhoven : Technische Universiteit Eindho-ven, 2001.

The regularities of cottage cheese whey concentration through the nano-filtration method

KOSTYUKOV D.M., post-graduate student,

KULENKO V.G., Cand. of Sc. (Technics),

DYKALO N.Y., Cand. of Sc. (Technics),

KOSTYUKOV E.M., Cand. of Sc. (Technics),

SHOHALOV V.A., Cand. of Sc. (Technics),

SHEVCHUK V.B., Cand. of Sc. (Technics)

The Federal State Budget Educational Institution Higher Professional Education the Vereshchagin Vologda State Dairy Farming Academy

Abstract: The main regularities of cottage cheese whey concentration with the help of nano-filtration have been investigated as well as the optimal conditions for the given process have been determined.

Keywords: cottage cheese whey, nano-filtration, concentration.