RESEARCH ON DESIGN PARAMETERS OF MEMBRANE APPARATUS WITH DIFFUSION LAYER REMOVING
Abstract and keywords
Abstract (English):
The prospects of whey processing using membrane methods are dealt with. A membrane apparatus with the removing of the diffusion layer is proposed. The influence of design parameters on the efficiency of whey concentration is investigated. A regression analysis of this influence is carried out. The rational values of design parameters are revealed.

Keywords:
The membrane apparatus, the diffusion layer, concentrating, whey, design parameters, regression analysis.
Text
Publication text (PDF): Read Download

  1. Введение

    Кузбасс – богатейший угольный край и вместе с тем один из экологически неблагоприятных регионов России. Для поддержания иммунитета жителям Ке­меровской области необходимо сбалансированное питание, насыщенное необходимым количеством макро- и микроэлементов. В связи с этим возникает потребность в оборудовании для производства про­дуктов питания, содержащих комплекс необходимых для жизнедеятельности компонентов, в частности аминокислот.

    Ряд незаменимых аминокислот содержится в мо-лочных и сывороточных белках, которые, находясь в растворенном состоянии, легко усваиваются организмом. Молоко содержит два типа основных белков: казеин (80 %) и сывороточный белок (20 %). При производстве сыра казеин уходит в творог и отделяется от сыворотки. Затем из сыворотки отделяют сывороточный белок и очищают до различных концентраций. Сывороточные белки состоят из ряда отдельных белковых компонентов: бета-лактоглобулин, альфа-лактальбумин, иммуно-глобулины, бычий сывороточный альбумин, глико-макропептид, лактоферрин, лактопероксидаза, лизоцим [3]. Биологическая ценность сывороточных белков выше, чем у многих других высоко-качественных пищевых белков, таких как яйца, говядина или соя. Сывороточный белок богат цистеином и метионином. Важность этих серосо-держащих аминокислот заключается в поддержании уровня антиоксидантов в организме.

    Особую питательную и биологическую ценность имеют продукты, содержащие белки в нативном виде. Поскольку белковые вещества термолабильны, для их концентрирования в настоящее время успешно применяется мембранная технология, в частности методы ультра- и микрофильтрации [1, 2].

    Концентрирование смесей мембранными методами в отличие от широко применяемых методов производится без фазовых превращений и обычно при температуре окружающей среды. Белок в процессе концентрирования продукта не претерпевает изменений, сохраняет натуральную форму и, соответственно, полезные свойства, чего нельзя отнести к белковым концентратам, полученным стандартными методами. Кроме того, применяемая в мембранных методах аппаратура проще, компактнее и дешевле. Следует отметить, что мембранные методы в ряде случаев оказываются не только более экономичными и менее энергоемкими по сравнению с другими методами, но часто позволяют полнее использовать сырье и энергию, т.е. существует возможность переработки вторичного сырья и отходов.

    Однако мембранная технология используется не только в молочной отрасли, но и в других отраслях народного хозяйства: в химической и нефтехимии-ческой промышленности, в биотехнологии и меди-цине, в пищевой промышленности (пивобезалкоголь-ная промышленность, производство соков), при очистке сточных вод и т.д.

    Основным недостатком мембранного метода является образование слоя задерживаемых веществ на внутренней поверхности мембраны, который со временем уплотняется и значительно снижает производительность процесса – так называемое явление концентрационной поляризации и гелеобразования. Поэтому в настоящее время перспективным направлением является использова-ние концентрационной поляризации. Данный способ предложен авторами [4]. Суть способа заключается в отводе концентрата задерживаемых веществ из области, прилегающей к поверхности мембраны. При этом производится мембранное фильтрование через мембрану. Отвод концентрата с большим содержанием растворенных веществ и исполь-зование его в качестве готового продукта или исходного раствора для последующего концентри-рования позволяет интенсифицировать процесс переработки сырья. В данном направлении разработан ряд конструкций, которые тем не менее характеризуются невысокой производительностью. В связи с этим разработка и исследование мембранного аппарата с отводом диффузионного слоя является актуальной научной задачей.

    Целью данной статьи является анализ влияния конструктивных особенностей мембранного аппа-рата с отводом диффузионного слоя на процесс концентрирования молочной.

     

    Объекты и методы исследования

    В рамках данного направления предложен мем­бранный аппарат, который включает устройство для отвода диффузионного слоя (рис. 1). Устройство со­стоит из корпуса 1 c щелями 2, находящегося внутри кожуха 3, внутренняя поверхность которого выпол­нена с переменным сечением, патрубка для отвода продукта 4. В полости корпуса находится подвиж­ный шток 5. Устройство присоединяется к трубчатой мембране 6.

    Устройство работает следующим образом. Ос­новная часть исходного раствора под давлением по­дается в канал мембранного аппарата, за счет созда­ния движущей силы в канале аппарата происходит мембранная фильтрация, при этом на внутренней по­верхности мембраны образуется слой с повышенным содержанием растворенных веществ (явление кон­центрационной поляризации). Поток и верхняя часть образовавшегося слоя устремляются в корпус 1, где происходит их разделение: поток поступает во внут­реннюю полость штока 5, слой – в зазор между кор­пусом и штоком. Интенсивный отвод слоя в кожухе создается с помощью разности давлений в зазоре и кожухе.

     

     

    Рис. 1. Устройство для отвода диффузионного слоя

     

    Особенностью данного аппарата является кони­ческая форма внутренней поверхности корпуса, что позволяет создать значительный перепад давлений в зазоре между штоком и конусом и кожухом устрой­ства, тем самым повысив количество отводимого диффузионного слоя.

    Анализ показал, что производительность аппа­рата зависит от технологических (температура среды, давление в канале аппарата и скорость основ­ного потока) и конструктивных параметров (удель­ная площадь отверстий корпуса, длина конусной части полого штока, расположение конусной части штока относительно отверстий).

    Длина конусной части полого штока ограничена значениями от 6 до 14 мм, что обусловлено конст­руктивными особенностями кожуха.

    Удельная площадь отверстий (ΔS) определяется по формуле

     

                                  (1)

     

    где n – количество отверстий; Sотв = 1,77×10-6 м2 – площадь одного отверстия; Sпов = 175,3×10-6 м2 – площадь внутренней поверхности конусной части корпуса.

    Расположение конусной части штока относи­тельно отверстий ∆l варьировалось в диапазоне от 0 до 12 мм. При этом начальное положение штока – шток выдвинут в канал аппарата на 6 мм, конечное – шток погружен в корпус аппарата на 6 мм. На рис. 2 показан шток в среднем положении.

     

    Рис. 2. Расположение штока относительно отверстий корпуса (Δl = 6 мм)

     

    Исследование проводились на лабораторной ус­тановке периодического действия (рис. 3). В каче­стве исследуемого продукта использовалась молоч­ная сыворотка с концентрацией сухих веществ 4 % масс. Основным элементом установки является мем­бранный аппарат 1, в который из емкости (бака) 2 подается исходный раствор сыворотки. В аппарате от раствора отделяется часть жидкости, профильтро­ванная через мембрану-фильтрат, который накапли­вается в баке 3. Наиболее концентрированная часть (диффузионный слой, отводимый с поверхности мембраны) попадает в бак 4, а оставшаяся часть ос­новного потока с меньшей концентрацией возвраща­ется в бак 1.

     

     

    Рис. 3. Лабораторная установка периодического действия

                   

    Результаты и их обсуждение

    Результаты исследования влияния длины конусной части штока на концентрацию отводимого диффузионного слоя представлены на рис. 4. Экспериментальные исследования проводили при рациональных значениях технологических параметров: температура среды 60 °C, давление в канале аппарата 0,2 МПа и скорость основного потока 1 м/c.

     

     

    Рис. 4. Влияние длины конусной части штока               на концентрацию отводимого диффузионного слоя            (Р = 0,2 МПа, Т = 60 °C, w = 1 м/с)

    Наибольшая концентрация С = 5,7045 % масс. достигается при L = 10 мм, что объясняется созда­нием максимальной разности давлений в зазоре ме­жду штоком и корпусом и кожухом, т.к. задейство­ваны все кольцевые щели. При длине конусной части штока больше 10 мм наблюдается снижение разно­сти давлений, а при L меньше 10 мм часть кольцевых щелей не участвует в отводе диффузионного слоя. Соответственно, в этих случаях наблюдается значи­тельное понижение концентрации отводимого диф­фузионного слоя.

    Результаты влияния удельной площади отверстий в корпусе на содержание сухих веществ в отводимом диффузионном слое представлены на рис. 5.

     

     

    Рис. 5. Влияние удельной площади отверстий в корпусе на концентрацию отводимого диффузионного слоя           (Р = 0,2 МПа, Т = 60 °C, w = 1 м/с)

     

    Максимальное содержание растворенных ве­ществ в концентрате продукта наблюдается при удельной площади отверстий 0,153 (15 отверстий в корпусе – 5 отверстий в 3 ряда). При уменьшении удельной площади отверстий снижается разность давлений в зазоре между штоком и корпусом, вслед­ствие чего в корпус попадает лишь часть диффузи­онного слоя. Оставшаяся его часть удаляется с ос­новным потоком, в связи с чем концентрация рас­творенных веществ снижается.

    При возрастании удельной площади отверстий концентрация растворенных веществ также снижа-ется, что вызвано снижением перепада давлений, как и в предыдущем случае. Кроме того, часть основного потока отводится вместе с диффузионным слоем.

    Зависимость концентрации сухих веществ в диффузионном слое от расположения штока относительно отверстий представлена на рис. 6.

     

     

     

    Рис. 6. Влияние расположения штока относительно отверстий на концентрацию отводимого диффузионного слоя (Р = 0,2 МПа, Т = 60 °C, w = 1 м/с)

    При смещении штока в сторону мембраны происходит снижение концентрации за счет перекрытия части отверстий цилиндрической частью штока. Кроме того, фронтальная часть штока является местным сопротивлением потоку среды, турбулизирует его и размывает диффузионный слой. При смещении штока в обратном направлении часть отверстий корпуса не участвует в отводе диф-фузионного слоя, так как коническая часть штока не образует зазор с корпусом в данном месте. Таким образом, не создается необходимая разность дав-лений и концентрация падает.

    Для построения регрессионной модели выбран активный эксперимент на основе матрицы планиро­вания ортогонального плана второго порядка. В ка­честве факторов выбраны: длина конусной части штока L, удельная площадь отверстий в корпусе ΔS, расположение штока Δl. Уровни и интервалы варьи­рования факторов представлены в табл. 1.

     

     

    Таблица 1

     

    Уровни и интервалы варьирования факторов

     

    Обозначение

    факторов

    Интервал

    варьирования

    Факторы при уровнях варьирования

    α

    1

    0

    1

    X1 (∆S), м22

    0,05

    0,03

    0,06

    0,1065

    0,16

    0,183

    X2 (L), мм

    2,62

    6

    7,38

    10

    12,62

    14

    X3 (∆l), мм

    3,93

    0

    2,07

    6

    9,93

    12

     

     

    Эксперимент проводился на основе матрицы планирования (табл. 2) ортогонального плана вто-рого порядка для трех факторов, составленной в соответствии со стандартной методикой [4, 5].

     

    Таблица 2

     

    Матрица планирования

    ортогонального плана второго порядка

     

    X1, м22

    X2, мм

    X3, мм

    Y, % масс.

    1

    0,06

    7,38

    2,07

    4,279

    2

    0,16

    7,38

    2,07

    4,722

    3

    0,06

    12,62

    2,07

    4,389

    4

    0,16

    12,62

    2,07

    4,831

    5

    0,06

    7,38

    9,93

    4,324

    6

    0,16

    7,38

    9,93

    4,767

    7

    0,06

    12,62

    9,93

    4,433

    8

    0,16

    12,62

    9,93

    4,876

    9

    0,03

    10

    6

    4,828

    10

    0,183

    10

    6

    5,502

    11

    0,1065

    6

    6

    4,048

    12

    0,1065

    14

    6

    4,215

    13

    0,1065

    10

    0

    5,06

    14

    0,1065

    10

    12

    5,128

    15

    0,1065

    10

    6

    5,659

    16

    0,1065

    10

    6

    5,862

    17

    0,1065

    10

    6

    5,627

    18

    0,1065

    10

    6

    5,573

    19

    0,1065

    10

    6

    5,684

    20

    0,1065

    10

    6

    5,731

     

    Была проведена проверка коэффициентов урав-нения на значимость, а также проверка адекватности уравнения регрессии (табл. 3).

     

     

     

    Таблица 3

     

    Параметры регрессионного анализа

     

    Параметр

    Значение

    Безразмерные

    коэффициенты

    b0

    5,685

    b`0

    4,977

    b1

    0,2211

    b2

    0,0547

    b3

    0,022

    b12

    4,44·10-16

    b13

    0

    b23

    –8,9·10-16

    b11

    –0,21455

    b22

    –0,6592

    b33

    –0,245

    Дисперсия

    воспроизводимости

    S2восп

    0,01

    fвосп

    5

    Расчетный критерий Стьюдента

    t0

    2532,748

    t1

    78,3483

    t2

    19,383

    t3

    7,8489

    t12

    1,25·10-13

    t13

    0

    t23

    2,5·10-13

    t11

    56,008

    t22

    172,0783

    t33

    63,94

    Критический

    критерий Стьюдента

    tкр

    2,57

    Дисперсия

    адекватности

    S2ад

    0,00415

    fад

    13

    Критерий Фишера

    Fрасч

    2,42

    Fкрит

    3

     

    Незначимые коэффициенты исключены из уравнения. Адекватность уравнения подтверждена критерием Фишера (Fкрит = 3, Fрасч = 2,42, Fкрит > Fрасч).

     

     

     

     

     

     

     

    Уравнение регрессии в натуральном масштабе имеет вид:

     

          (2)

       

    Задача определения значений конструктивных параметров, обеспечивающих максимально возможное содержание растворенных веществ в концентрате, сводится к определению максимума функции нескольких переменных.

     

    Выводы

    Для переработки молочных сред с целью получе­ния полезных продуктов, обогащенных белковыми соединениями в нативном виде, актуально примене­ние мембранных методов. Наиболее эффективны мембранные аппараты с отводом диффузионного слоя.

    Проведено исследование влияния конструктив­ных параметров аппарата на процесс концентриро­вания молочной сыворотки.

    На основе регрессионного анализа выявлены ра­циональные значения конструктивных параметров аппарата для концентрирования молочной сыво­ротки. Максимальное содержание растворенных ве­ществ в концентрате наблюдается при удельной площади отверстий ∆S = 0,14, расположении штока относительно отверстий ∆l = 6,22 мм и длине конус­ной части штока L = 10,12 мм и составляет C(∆S, ∆l, L) = 5,6284 % масс.

     

References

1. Lobasenko, B.A. Processy gidromehanicheskogo razdeleniya pischevyh sred / B.A. Lobasenko, Yu.V. Kosmo-dem'yanskiy. - Kemerovo, 1999. - 103 s.

2. Bryk, M.T. Ul'trafil'traciya / M.T. Bryk, E.A. Capyuk. - Kiev: Nauk. dumka, 1989. - 289 s.

3. Hramcov, A.G. Produkty iz obezzhirennogo moloka, pahty i molochnoy syvorotki / A.G. Hramcov, E.F. Kravchenko, K.K. Petrovskiy i dr.; pod red. A.G. Hramcova i P.G. Nesterenko. - M.: Legkaya i pischevaya promyshlennost', 1982.

4. Ahnazarova, S.L. Optimizaciya eksperimenta v himii i himicheskoy tehnologii: ucheb. posobie dlya vuzov / S.L. Ahnazarova, V.V. Kafarov. - M.: Vysshaya shkola, 1978. - 319 s.

5. Kafarov, V.V. Metody kibernetiki v himii i himicheskoy tehnologii. - M.: Himiya, 1985.

6. Pat. 2119378 Rossiyskaya Federaciya, MPK6 VO1D61/14, B01D65/08. Apparat dlya membrannogo razdeleniya / Lobasenko B.A., Ivanec V.N., Kosmodem'yanskiy Yu.V., Lopuhinskiy L.M.; zayavitel' i patentoobladatel' Kemerovskiy tehnologicheskiy institut pischevoy promyshlennosti. - № 95122363/25; zayavl. 23.12.95; opubl. 27.09.98.


Login or Create
* Forgot password?