Tehnologie de separare a membranelor în industria alimentară
De Jayne Stratton
Tehnologia membranelor este folosită în aplicații specializate în industria alimentară de mai bine de 30 de ani. Tehnologia poate fi aplicată mai multor metode de producție, inclusiv separări de lapte-solide în industria laptelui, clarificarea și concentrarea sucurilor, concentrația de proteine din zer, purificarea zahărului și a apei și gestionarea deșeurilor. Există mai multe medii de filtrare, precum și multe tipuri de configurații de membrană. Cunoașterea diferitelor tehnologii de membrană și modul în care acestea sunt utilizate în industria alimentară pot spori producția generală și pot oferi opțiuni de reducere a costurilor pentru o varietate de separări.
Bazele membranei
Separarea se bazează pe principii care se bazează pe proprietățile chimice și fizice ale particulelor și moleculelor. De exemplu, centrifugarea folosește proprietatea fizică a greutății pentru a separa solidele de lichide. Un alt exemplu, schimbul de ioni, se bazează pe principiul sarcinii pentru a separa diferite specii unele de altele. Alte principii precum presiunea vaporilor, solubilitatea și difuzia pot efectua, de asemenea, separări. Membranele folosesc principiul dimensiunii pentru a separa diferite materiale. [1]
Filtrele cu membrană sunt folii microporoase foarte subțiri de film atașate la o structură de suport poroasă mai groasă. Cel mai de bază, o membrană servește ca sită, separând solidele de lichidele forțate prin ea. Nu numai membranele pot separa solidele de lichide, ci pot separa moleculele solubile și particulele ionice de dimensiuni diferite una de alta.
Membranele din industria proceselor utilizează filtrarea cu flux tangențial sau filtrarea cu flux transversal. În filtrarea cu flux tangențial (TFF) fluxul fluxului de alimentare se desfășoară paralel cu suprafața membranei la viteze mari, așa cum este ilustrat în figura 1.
Pe măsură ce fluidul trece pe suprafața membranei, acționează pentru a mătura componentele reținute sau a se retenta de pe suprafața membranei și înapoi în soluția în vrac pentru a evita înfundarea porilor [2]. Acest lucru este opus filtrării tradiționale prin curgere sau prin impas, în care fluxul de alimentare curge perpendicular pe suprafața membranei, al cărei obiect este să formeze o prăjitură uscată. În TFF, fracția care conține substanțele dizolvate și componentele cu greutate moleculară mai mică care pot trece prin membrană este cunoscută sub numele de permeat. Retentatul este recirculat continuu, trecând peste suprafața membranei până când se obține efectul dorit, cum ar fi concentrația sau clarificarea unui produs dorit. Rata de permeabilitate este cunoscută sub numele de flux și oferă o indicație a performanței membranei. [3]
Operațiunile TFF pot efectua atât aplicații de concentrare, cât și aplicații de clarificare. În concentrație, membrana reține produsul dorit și lichidul este îndepărtat ca permeat. Retentatul devine din ce în ce mai concentrat pe măsură ce permeata este îndepărtată. În aplicații de clarificare, produsul dorit trece prin membrană și este colectat ca permeabil, lăsând poate materiale insolubile sau alți compuși nedoriti în retentat. Atât operațiunile de concentrare, cât și cele de clarificare sunt utilizate pe scară largă în industria alimentară, în primul rând pentru procesarea sucurilor și a altor băuturi. [4]
Construcția membranei
Membranele sunt fabricate din mai multe tipuri diferite de materiale. Inițial, membranele de osmoză inversă și ultrafiltrare erau bazate pe celuloză, dar sunt acum fabricate din polimeri pe bază de materiale plastice tehnice. [5] Materialele tipice au inclus poliacrilonitril (PAN) și amestecuri de PAN cu clorură de polivinil (PVC), poliamidă aromatică și fluorură de poliviniliden (PVDF). [5,6] Astăzi, majoritatea membranelor polimerice utilizate în industria alimentară sunt fabricate din polisulfonă (PS ).) sau polietersulfonă (PES). [5,6] Așa cum este cerut de alte echipamente de prelucrare din industria alimentară, toate suprafețele membranei, suporturile, distanțierii și structurile suport care intră în contact cu produsele alimentare trebuie să îndeplinească titlul 21 partea 177, din Codul de reglementări federale, în general recunoscut ca sigur (GRAS), sau aprobat în alt mod de FDA pentru contactul cu alimente. [5] Materialele sunt, de asemenea, alese pentru curățenia și capacitatea lor de a rezista la o varietate de condiții în care ar putea funcționa.
Membranele pot fi împărțite în patru categorii de bază: osmoză inversă (RO), nanofiltrare (NO), ultrafiltrare (UF) și microfiltrare (MF). [5] Fiecare dintre aceste categorii se distinge prin mărimea speciilor pe care le păstrează. Retenția se bazează pe dimensiunea porilor membranei. O serie de dimensiuni ale particulelor la care operează fiecare dintre acestea este ilustrată în figura 2.
Osmoza inversă are cea mai strânsă construcție a porilor și se poate separa în domeniul ionic. Nanofiltrarea, o categorie mai nouă de membrane, funcționează similar cu osmoza inversă, dar are o construcție oarecum mai slabă, permițând trecerea ionilor monovalenți și a unor ioni divalenți. Ultrafiltrarea este utilizată pentru a separa molecule de dimensiuni diferite, cum ar fi proteinele și alte macromolecule. Membranele de microfiltrare au cele mai mari dimensiuni ale porilor din toate categoriile și sunt utilizate în principal pentru îndepărtarea solidelor suspendate și a bacteriilor. [6] O altă diferență între aceste tipuri de filtrare este presiunea la care funcționează. Membranele RO funcționează până la 1.500 psi, membranele NO funcționează până la 300 psi, membranele UF funcționează de la 10 la 200 psi, în timp ce membranele MF funcționează în intervalul de la 1 la 25 psi. [4] Diferențele de mărime ale porilor între membrane determină presiunea de funcționare. Sunt necesare presiuni mai mari pentru a forța lichidul prin membrane cu dimensiuni mai mici ale porilor.