Мембранной фильтрации

По мере концентрирования сухих веществ, происходящего при фильтрации, на поверхности мембран образуется поляризационный пограничный слой (осадок) с высокой концентрацией растворенных ве­ществ, который начинает оказывать сопротивление потоку фильтрата.

В процессе ультрафильтрации образуется гелеобразный осадок из высокомолекулярных белков и нерастворимых солей, находящихся в коллоидной форме. Концентрация низкомолекулярных веществ, та­ких, как лактоза, также возрастает в поляризационном слое, поскольку коэффициент диффузии для лактозы меньше коэффициента диффузии для воды.

Повышение давления на первой стадии ультрафильтрации, ко­гда поляризационный слой отсутствует или очень мал, приводит к увеличению скорости фильтрации и, соответственно, положительно влияет на эффективность процесса. Однако при дальнейшем повышении давления быстро начинает образовываться и уплотняться поляризационный гелевый слой, оказывающий сопротивление фильтрации. Поэтому в непрерывных ультрафильтрационных установках давление фильтрации необходимо снижать от ступени к ступени по мере повышения концентрации белка в обрабатываемой жидкости.

На эффективность мембранной фильтрации и скорость фильтра­ции влияет температура молочного сырья. Повышение температуры до 60 °С интенсифицирует процесс ультрафильтрации. Это связано с тем, что при повышении температуры усиливается броуновское движение, и, следовательно, возрастает диффузия растворов через полупроницаемую мембрану. Повышение температуры также приводит к снижению вязко­сти обрабатываемой жидкости, что способствует повышению скорости фильтрации. Например, при повышении температуры ультрафильтрации с 20 до 50 °С скорость ультрафильтрации возрастает в 2,5—3,0 раза. Од­нако подъем температуры выше 60°С приводит к денатурации белковых веществ молочного сырья и увеличению белкового поляризационного слоя и, соответственно, к снижению скорости фильтрации. Кроме того, использование температуры выше 60 °С приводит к изменению полимерной структуры мембран, что также ухудшает проницаемость мембран и снижает эффективность мембранной фильтрации.

На эффективность мембранной фильтрации влияет также активная кислотность молочного сырья. Установлено, что с понижением рН обезжиренного молока скорость ультрафильтрации уменьшается. Это объясняется тем, что при снижении рН обезжиренного молока до 4,6−4,7 (изоэлектрическая точка казеина) происходит коагуляция казеина, увеличение вязкости и снижение скорости ультрафильтрации. Однако при понижении температуры снижается и порог коагуляции молочных белков. Коагуляция белков и образование гелевого слоя происходят при условиях, выраженных формулой

рН = 4,28 + 0,027 t,

где t − температура обрабатываемой жидкости, ºС.

Для предотвращения быстрого образования молочно-белкового геля на поверхности мембран при ультрафильтрации необходимо выбирать температуру в зависимости от рН молочного сырья. Кроме того, процесс ультрафильтрации, например при получении концентрата сывороточных белков, желательно проводить при значениях рН молоч­ного сырья в пределах 6,5−6,7.

В молочной промышленности при получении молочных продук­тов мембранные методы обработки молочного сырья можно применять как самостоятельно, так и в сочетании друг с другом.

Эффективным методом улучшения качественных показателей молочной сыворотки перед ультрафильтрацией, а именно уменьше­ния в ней содержания минеральных компонентов (деминерализация), является электродиализ.

Электродиализ − это направленный перенос ионов через раз­мещенную в растворе электролита мембрану под действием постоянного электрического поля. Сущность электродиализа заключается в том, что мембрана (перегородка), находясь в контакте с раствором электролита, под влиянием электрического поля пропускает ионы одного заряда и слу­жит барьером для ионов противоположного заряда.

Процесс сочетает в себе диализ, осмос и электроосмос. Диализ − это диффузионный процесс переноса растворенного вещества через ионитовую мембрану за счет разности концентраций растворенных ве­ществ по обе ее стороны. Осмос − это перенос растворителя через мем­брану из областей с меньшей концентрацией растворенных веществ в область с большей их концентрацией. Электроосмос − это перенос через мембрану молекул растворителя, захватываемых мигрирующими ио­нами.

Деминерализованная молочная сыворотка имеет ряд преиму­ществ перед недеминерализованной – в ней менее выражена горечь за счет удаления минеральных веществ, понижена кислотность (особенно это важно для кислой творожной сыворотки при ее дальнейшем использовании) и т. д.

Это дает возможность применять сыворотку в производстве продуктов для детского питания и различных других пищевых продуктов. Кроме того, применение электродиализа предотвращает загрязнение окружающей среды, которое происходит при сбросе в канализацию недеминерализованной сыворотки.

Контрольные вопросы:

1. С какой целью проводится мембранная обработка молочного сырья?

2. Дайте характеристику методам обработки молочного сырья.

3. Что собой представляют полупроницаемые мембраны, используемые при мембранной фильтрации?

4. Какие факторы влияют на эффективность мембранной фильтрации?