Рисунок 2 - Мембранный фильтр-пресс (а) и «подложка» (б):
1 - плита; 2 - стяжной болт; 3 - «подложка»; 4 - мембрана; 5 - отверстие
Аппараты подобного типа применяют в установках для выделения белков из подсырной сыворотки, а также для ультрафильтрации обезжиренного молока и творожной сыворотки.
Производительность аппарата по сыворотке составляет 5,0... 6,8 м3/ч, по концентрату -- 0,16...0,3 м3/ч,
Аппарат с цилиндрическими фильтрующими элементами собирается из отдельных цилиндрических фильтрующих модулей (рис. 3).
Рисунок 3 - Мембранный аппарат с цилиндрическими фильтрующими элементами
Цилиндрический фильтрующий элемент (рисунок 4) представляет собой сменный узел, собранный из полупроницаемой мембраны и дренажного каркаса. Дренажный каркас состоит из трубы и пористой «подложки», исключающей вдавливание мембраны в дренажные каналы трубы. Изготовляют цилиндрические фильтрующие элементы трех типов: с расположением мембраны на внутренней поверхности дренажного каркаса, на внешней и с комбинированным расположением мембраны.
Рисунок 4 - Цилиндрические фильтрующие элементы с различным расположением мембраны:
а - на внутренней поверхности дренажного каркаса; б - на внешней; в - комбинированно; где: 1 - труба; 2 - мембрана; 3 - «подложка»
Аппарат с цилиндрическими фильтрующими элементами и с мембраной, расположенной на внутренней поверхности дренажного каркаса (рис. 4, а), имеет следующие преимущества: малую материалоемкость из-за отсутствия напорного корпуса, небольшое гидравлическое сопротивление, возможность механической очистки фильтрующих элементов от осадка без разборки, надежность конструкции.
Недостатки этой конструкции -- низкая удельная рабочая площадь поверхности фильтрации мембран, высокие требования к сборке элементов.
Конструкции фильтрующих элементов с наружным расположением мембраны (рис. 4, б) имеют большую удельную рабочую площадь поверхности фильтрации. Однако они более металлоемки, а кроме того, механическая очистка фильтрующих элементов практически невозможна.
Цилиндрические фильтрующие элементы с комбинированным расположением мембран (рис. 4, в) имеют примерно в 2 раза большую удельную рабочую площадь поверхности фильтрации, чем описанные. Однако такие конструкции обладают значительно большими гидравлическими сопротивлениями из-за большой длины каналов для отвода фильтрата.
Удьтрафильтрационные установки с цилиндрическими фильтрующими элементами широко применяют для осветления фруктовых соков. От сока отделяются все вещества, вызывающие помутнение сока, как, например, протеин, крахмал, пектин, дубильные вещества большой молекулярной массы, частицы целлюлозы и другие вещества. В осветленном соке содержатся все вещества в натуральном составе.
Аппараты с рулонными фильтрующими элементами выполняют в виде трубы, в которую последовательно вставлено несколько (плотность упаковки мембран составляет 300...800 м2/м3) рулонных фильтрующих элементов (рис. 5, а). Каждый элемент состоит из накрученного на отводящую трубу пакета из двух мембран и «подложки». Для создания межмембранного пространства между мембранами устанавливается сетка-сепаратор.
Исходный раствор движется по межмембранным каналам в продольном направлении (рис. 5, б), а фильтрат по спиральному дренажному слою поступает в трубу и выводится из аппарата.
Рисунок 5 - Рулонный фильтрующий элемент (а) и аппарат, заряженный такими элементами (б):
1 - труба; 2 - мембрана; 3 - «положка»; 4 - сетка-сепаратор
Увеличение рабочей площади мембран в этих аппаратах повышает плотность упаковки, а также снижает стоимость изготовления. Площадь мембраны возрастает при увеличений длины и ширины навиваемого пакета. Однако ширина пакета ограничена размерами мембран и дренажного слоя. Максимальная ширина пакета достигает 900 мм. Длина пакета ограничивается гидравлическим сопротивлением дренажного слоя потоку фильтрата и обычно не превышает 2 м.
Эффективность применения мембранных процессов в пищевых производствах рассмотрим на двух примерах.
На рис. 6 показана двухступенчатая схема установки для концентрирования апельсинового сока, работающая с возвратом фильтрата со второй ступени.
Рисунок 6 - Двухступенчатая схема установки для концентрирования апельсинового сока
Основными аппаратами являются мембранные фильтр-прессы. Материальный баланс процесса представлен на схеме. В результате ультрафильтрации концентрация продукта повышается в 4 раза.
Схема переработки молока с получением основных молочных продуктов представлена на рис. 7.
Рисунок 7 - Схема переработки молока
Основными технологическими стадиями являются сепарирование молока с получением масла, ультрафильтрация обезжиренного молока и обратный осмос. Из концентрата обезжиренного молока получают ассортимент молочных продуктов. Использование мембранных аппаратов при переработке молока позволяет также решить проблему очистки сточных вод.
В настоящее время большинство ультрафильтрационных мембран изготавливаются из полимерных материалов. Ниже представлены некоторые из них:
· полисульфон/полиэфирсульфон/сульфированный полисульфон;
· поливинилиденфторид;
· полиакрилонитрил;
· производные целлюлозы;
· полиимид/поли(эфирмид);
· алифатические полиамиды.
Кроме указанных полимерных материалов в качестве УФ мембран используются неорганические (керамические) материалы.
Ультрафильтрация имеет широкую область использования, связанную с задачами отделения высокомолекулярных от низкомолекулярных компонентов. Подобного рода задачи могут найти применение в следующих отраслях:
· пищевая и молочная промышленность;
· фармацевтическая промышленность;
· текстильная промышленность;
· химическая промышленность;
· металлургическая промышленность;
· производство бумаги;
· кожевенная промышленность.
1. А. А. Пантелеев, Б. Е. Рябчиков, О. В. Хоружий, С. Л. Громов, А.Р. Сидоров, Технологии мембранного разделения в промышленной водоподготовке - М.: ДеЛи плюс, 2012;
2. М. Мулдер, Введение в мембранную технологию - М.: Мир, 1999.