3.1. Гиперфильтрация

Гиперфильтрация - физический способ разделения растворов (без превращения фаз) через мембрану с определенным размером пор от 0,001  до 1 мкм.

В зависимости от диаметра пор мембраны происходит разделение находящихся в растворе компонентов: компоненты с размерами менее диаметра пор проходят через мембрану, а компоненты с большими размерами задерживаются. Получаются два раствора с различными компонентами.

Процесс гиперфильтрации основан на принципе обратного осмоса. Часть компонентов раствора, и прежде всего растворитель, за счет давления, создаваемого на раствор, переходит через мембрану, а другая, например белки, задерживается. Происходит концентрация раствора.

Проницаемость всех видов мембран во время работы снижается, за счёт образования на поверхности фильтра слоя раствора с повышенной концентрацией, что приводит к увеличению осмотического давления и гидродинамического сопротивления. Для уменьшения концентрационной поляризации (концентрационного слоя на мембране) раствор энергично перемешивают или резко увеличивают скорость потока (за счёт увеличения давления или турбулентности). В промышленных установках могут устанавливать турбулизаторы. Можно снизить концентрационный слой и увеличить диффузию за счёт  вибрационных установок.

Основные критерии процесса гиперфильтрации определяются избирательностью, проницаемостью, устойчивостью к механическому, химическому и микробиологическому загрязнению мембран.

Гиперфильтрацию в зависимости от пористости (проницаемости) применяемой мембраны и эффективности процесса разделения гетерогенных растворов условно делят на микрофильтрацию, ультрафильтрацию и обратный осмос.

Микрофильтрация

Отличительной особенностью микрофильтрации является использование мембран с диаметром пор 0,1 – 1 мкм (100 – 1000 нм). Она может быть использована для холодной стерилизации молочной сыворотки. Отсутствие мицелл казеина обеспечивает относительно легкое проведение процесса удаления бактерий, которые остаются на мембране. Одновременно из сыворотки извлекается остаточный молочный жир в количестве 0,5 – 1,2  г на   1  л.

Ультрафильтрация

Для проведения ультрафильтрации используют полупроницаемые мембраны диаметром пор от 10 до 100 нм, способные задерживать высокомолекулярные соединения с молекулярной массой от 104 ед. и выше. При ультрафильтрации молочной сыворотки концентрируется белок, а в фильтрат уходят соли и лактоза. В фильтрат переходит около 30% кальция, 90 – калия и натрия, 70 – магния, 80 – хлора и 50 % фосфора, содержащихся в исходной сыворотке. Белки сохраняют свои нативные свойства. Необходимое давление для осуществления процесса ультрафильтрации находится на уровне 0,1 – 1 МПа              (1 – 10 атм). В результате ультрафильтрации получается белковый концентрат (ретентант) и фильтрат (пермеат) – раствор лактозы, минеральных солей и др. низкомолекулярных соединений.

Частным случаем ультрафильтрации является диафильтрация, используемая для получения высокобелковых молочных концентратов. При диафильтрации концентраты, получаемые ультрафильтрацией, разбавляют водой (лучше деминерализованной) и подвергают повторной ультрафильтрации с целью «вымывания» низкомолекулярных компонентов, в частности лактозы и минеральных веществ.

Полупроницаемые мембраны для ультрафильтрации изготавливают из полимерных материалов. Они имеют тонкий (около 0,25 мкм) поверхностный слой (так называемый «активный слой») и микропористую подложку (матрицу) из того же полимера толщиной примерно 50 мкм. Для придания повышенной механической прочности мембрану дополнительно армируют нетканой подложкой из пористого полимера.

Для ультрафильтрации молочного сырья созданы 3 типа полупроницаемых мембран: ацетатцеллюлозные (УАМ – первого поколения), полисульфонамидные на подложке из электроизоляционной бумаги (УМП-II – второе поколение) и на основе циркония и других металлосодержащих веществ с подложкой из графита, которые выдерживают температуру до 400 ^оС и воздействие различных моющих химических веществ (третье поколение).

Ацетатцеллюлозные мембраны имеют низкую механическую прочность, т.к. изготавливаются без армирующей подложки, и недостаточную термохимическую стойкость. При их мойке предусмотрено использовать дорогостоящий ферментный препарат панкреатин, поэтому при переработке молочного сырья предпрочтение отдают полисульфонамидным мембранам на подложке. Мембраны поставляются потребителям в виде рулона, помещенного в герметично запаянный полиэтиленовый пакет, внутрь которого залит консервант, в ящике из гофрированного картона.

Следует отметить, что как мембраны, так и конструкции ультрафильтрационных установок постоянно совершенствуются.

Обратный осмос

Фильтры, применяемые для ультрафильтрации и обратного осмоса, принципиально различаются лишь размерами пор, они мельче и обеспечивают перенос только растворителя. При обратном осмосе применяют полупроницаемые мембраны диаметром пор от 1 до 10 нм, способные задерживать компоненты раствора с молекулярной массой от 50 ед. и выше.

При обратном осмосе как и при ультрафильтрации требуется преодолевать осмотическое давление фильтруемого раствора, т.к. растворитель переносится в направлении, противоположном возрастанию концентрации растворенного вещества, задерживаемого фильтром. Способом обратного осмоса производят концентрированно практически всех веществ, находящихся в растворе, и выделение чистого растворителя из раствора за исключением некоторого количества одновалентных ионов Na, К, С1. Практически обратный осмос сводится к сгущению раствора.

Преимуществом обратного осмоса перед существующими способами концентрации растворов (например, сгущения в вакуум-выпарных установках) является возможность проведения процесса при любых температурах. Кроме того, затраты энергии при обратном осмосе меньше, чем при использовании других традиционных способов концентрации, а расход тепловой энергии может быть исключен совсем. В связи с этим, применение обратного осмоса особенно целесообразно при выработке пищевых продуктов, где выпаривание при повышенных температурах приводит к нежелательным последствиям.

За рубежом для обработки молочного сырья выпускают специализированные обратноосмотические установки. Хорошие результаты дает совмещение процессов ультрафильтрации и обратного осмоса. Оптимальным считается концентрирование методом обратного осмоса до массовой доли сухих веществ 20 – 30 %.

Одним из перспективных направлений использования обратного осмоса является обработка соленой сыворотки.