teknologi membran adalah metode pemisahan terbukti digunakan pada tingkat molekul dan ion. Selama dua puluh tahun terakhir, sejak awal tahun 1970-an, teknik ini telah diadaptasi untuk industri susu.
definisi
Definisi dari beberapa ekspresi yang sering digunakan: Pakan = larutan yang akan terkonsentrasi atau difraksinasi. Flux = laju ekstraksi serapan diukur dalam
liter per meter persegi permukaan membran per jam (l / m2 / h)
Membran fouling = pengendapan padatan pada membran, ireversibel selama pemrosesan
Menyerap = filtrat, cairan melewati selaput
Retentat = konsentrat, cairan dipertahankan
faktor konsentrasi = pengurangan volume yang dicapai oleh konsentrasi, yaitu rasio volume awal
pakan untuk volume akhir dari konsentrat
Diafiltrasi = modifikasi dari ultrafiltrasi dimana air ditambahkan ke pakan sebagai hasil filtrasi di Untuk mencuci komponen pakan yang akan melewati membran, pada dasarnya laktosa dan mineral.
teknologi membran
Dalam industri susu, teknologi membran terutama terkait dengan • Reverse Osmosis (RO)
- Konsentrasi solusi dengan penghilangan air • Nanofiltrasi (NF)
- Konsentrasi komponen organik dengan penghapusan bagian dari monovalen ion seperti natrium dan klorin (parsial demineralisasi)
• Ultrafiltrasi (UF)
- Konsentrasi molekul besar dan makro • Microfiltration (MF)
- Penghapusan bakteri, pemisahan molekul makro
Spektrum penerapan pemisahan membran proses di susu industri ditunjukkan pada Gambar 6.4.1.
Semua teknik di atas memiliki filtrasi membran crossflow, di mana larutan umpan dipaksa melalui membran di bawah tekanan. Itu
solusi mengalir di atas membran dan padatan (retentat) dipertahankan sementara
permeat akan dihapus. Membran dikategorikan oleh molekul mereka cutoff berat, seharusnya berat molekul dari molekul terkecil
yang tidak akan melewati membran. Namun, karena berbagai antar tindakan, membran tidak dapat dipilih murni atas dasar molekuler cutoff berat badan.
filtrasi, juga disebut mati filtrasi akhir, biasanya digunakan untuk pemisahan partikel yang lebih besar dari 10 mm, sementara memisahkan filtrasi membran zat dari ukuran molekul kurang dari 10-4 mm.
Perbedaan mendasar antara filtrasi konvensional dan membran diilustrasikan pada Gambar 6.4.2.
Ara. 6.4.2 Perbedaan Dasar filtrasi konvensional (kiri) dan membran. Beberapa perbedaan dapat dicatat antara konvensional dan membran filtrasi, yaitu .:
• Media filter yang digunakan.
filter konvensional tebal dengan struktur terbuka. Bahan: biasanya kertas.
filter membran tipis dan ukuran pori cukup dikendalikan.
Bahan: polimer dan keramik, saat ini lebih jarang selulosa asetat. • Pada filtrasi konvensional, gravitasi adalah kekuatan utama yang mempengaruhi pemisahan partikel.
Tekanan dapat diterapkan hanya untuk mempercepat proses. Aliran pakan tegak lurus terhadap media filter, dan filtrasi dapat dilakukan di sistem terbuka.
• Pada filtrasi membran, penggunaan tekanan sangat penting sebagai pendorong untuk
pemisahan dan lintas-aliran atau desain aliran tangensial diikuti. feed solusi berjalan sejajar dengan permukaan membran dan permeat mengalir tegak lurus dengan membran filtrasi. Filtrasi harus dilakukan dalam
sistem tertutup.
Prinsip pemisahan membran
Teknik-teknik pemisahan membran digunakan dalam industri susu melayani tujuan yang berbeda:
• RO - digunakan untuk dehidrasi dari whey, UF menyerap dan kondensat. • NF - digunakan ketika desalinasi parsial whey, UF menyerap atau
Retentat diperlukan.
• UF - biasanya digunakan untuk konsentrasi protein susu dalam susu dan whey dan untuk standardisasi protein susu ditujukan untuk keju, yoghurt
dan beberapa produk lainnya.
• MF - pada dasarnya digunakan untuk pengurangan bakteri di skimmilk, whey dan
air garam, tetapi juga untuk defatting whey ditujukan untuk protein whey berkonsentrasi (WPC) dan untuk fraksinasi protein.
Pola aliran umum dari berbagai sistem pemisahan membran diilustrasikan pada Gambar 6.4.3.
modul filtrasi
modul penyaringan yang digunakan mungkin konfigurasi yang berbeda, yaitu .: Merancang aplikasi Khas
Tubular, berdasarkan polimer UF, RO Tubular, berdasarkan keramik MF, UF Berongga-serat UF
Piring dan desain bingkai
Sistem ini terdiri dari membran terjepit di antara membran
piring dukungan yang diatur dalam tumpukan, mirip dengan panas piring biasa penukar. Bahan pakan dipaksa melalui saluran yang sangat sempit yang
dapat dikonfigurasi untuk aliran paralel atau sebagai kombinasi paralel dan serial saluran. Sebuah desain khas ditunjukkan pada gambar. 6.4.4.
Sebuah modul biasanya dibagi menjadi beberapa bagian, di masing-masing aliran antara
pasang membran adalah di bagian parallel.The dipisahkan oleh
khusus dukungan membran piring di mana satu lubang ditutup dengan berhenti disc untuk membalikkan arah aliran, memberikan aliran serial antara berturut bagian. Modul availble dalam berbagai ukuran.
bahan membran: biasanya polimer. desain Tubular - polimer
Sistem yang dibuat oleh Paterson dan Permen International Ltd, PCI, adalah contoh
sistem tubular digunakan dalam industri susu.
Modul PCI untuk UF diilustrasikan dalam Gambar. 6.4.5. modul memiliki 18 x 12,5 mm berlubang tabung stainless steel dirakit di shell-dan-tubelike
konstruksi. Semua 18 tabung dihubungkan secara seri. A diganti
tabung insert membran dipasang di dalam masing-masing dari stainless berlubang
tabung dukungan tekanan baja. Menyerap dikumpulkan pada luar bundel tabung di kain kafan stainless steel. Itu
Modul mudah dapat dikonversi dari UF untuk RO. desain Tubular - keramik
Sebuah konsep tubular dengan membran keramik terus mendapatkan tanah di industri susu, terutama dalam sistem untuk pengurangan bakteri dalam susu, whey, WPC dan air garam.
Elemen saringan, angka 6.4.6, adalah filter keramik diproduksi oleh perusahaan Perancis, SCT (Société des Céramiques Teknik / Ceraver).
Dinding tipis saluran terbuat dari halus keramik dan
merupakan membran. Bahan pendukung adalah keramik kasar.
Dalam MF untuk menghilangkan bakteri sistem diberi makan dengan skimmilk (dengan seluruh
susu, lemak juga akan terkonsentrasi, yang tidak
ingin di aplikasi untuk pengurangan bakteri). Kebanyakan pakan (sekitar 95%) melewati membran
sebagai permeat, dalam skimmilk ini kasus bakteri-berkurang. The retentat, sekitar 5% dari pakan, adalah
paralel) dipasang di modul. Angka
6.4.7 menunjukkan modul dengan 19 filter yang elemen, salah satunya terkena
sebelah kiri modul. untuk industri tujuan dua modul yang disatukan dalam seri, membentuk loop filter
bersama-sama dengan satu sirkulasi retentat pompa dan satu sirkulasi serapan
pompa, angka 6.4.10. dipasang secara paralel.
Umpan dipompa ke modul dari bawah pada tingkat aliran tinggi. Itu Tekanan transmembran sangat tinggi (TMP) di inlet cepat menyebabkan penyumbatan
membran. Fenomena ini diilustrasikan dalam Gambar. 6.4.8, yang
menunjukkan mikrofiltrasi lintas-aliran konvensional. Pengalaman menunjukkan bahwa rendah
Tekanan transmembran memberikan kinerja yang jauh lebih baik, tapi di konvensional
lintas-aliran mikrofiltrasi tekanan transmembran rendah hanya terjadi di outlet, yaitu pada bagian yang sangat kecil dari daerah membran. Yang unik Uniform transmembran Tekanan (UTP) sistem telah
diperkenalkan untuk mencapai kondisi yang optimal di seluruh wilayah. dipatenkan
sistem, diilustrasikan pada Gambar 6.4.9, melibatkan sirkulasi serapan-kecepatan tinggi
bersamaan dengan retentat di dalam modul, tetapi di luar elemen.
Hal ini memberikan TMP seragam atas seluruh daerah membran, dengan optimal pemanfaatan membran.
Sistem yang terakhir ini dimungkinkan karena ruang antara unsur-unsur dalam modul, yaitu di sisi permeat, biasanya kosong, tapi di
Versi UTP itu diisi dengan biji-bijian plastik. The-kecepatan tinggi sirkulasi
serapan menyebabkan penurunan tekanan di dalam saluran. Penurunan tekanan di sisi permeat diatur oleh pompa permeat dan konstan
selama operasi pabrik. desain spiral-luka
Sebagai desain spiral-luka berbeda dari desain filtrasi membran lainnya digunakan dalam industri susu, itu panggilan untuk penjelasan agak lebih detailled.
Unsur spiral-luka mengandung satu atau lebih membran "amplop",
yang masing-masing berisi dua lapisan membran dipisahkan oleh berpori menyerap bahan konduktif. Bahan ini, yang disebut
channel permeat spacer, memungkinkan permeat melewati membran mengalir bebas. Itu
dua lapisan membran dengan saluran permeat
"amplop". Ujung terbuka dari amplop terhubung
dan disegel dengan serapan mengumpulkan berlubang tabung. Konfigurasi amplop diilustrasikan
di ara. 6.4.11.
Bahan plastik jaring, melayani sebagai saluran untuk
aliran larutan umpan melalui sistem dan kontak dengan salah satu sisi masing-masing amplop membran.
Karena jaring merancang spacer pakan
juga bertindak sebagai generator turbulensi untuk menjaga membran bersih pada kecepatan yang relatif rendah.
Seluruh perakitan kemudian melilit
serapan berlubang mengumpulkan tabung untuk membentuk membran spiral-luka. membran spiral-luka
dilengkapi dengan antitelescoping
perangkat antara ujung hilir elemen membran
untuk mencegah kecepatan fluida diperlakukan dari menyebabkan lapisan tergelincir.
Sebuah perakitan spiral-luka dengan perangkat antitelescoping adalah ditunjukkan pada Gambar 6.4.12.
Beberapa elemen - biasanya tiga - dapat dihubungkan secara seri di dalam tabung stainless steel yang sama seperti pada gambar 6.4.13. Membran dan bahan spacer permeat: polimer.
Fig.6.4.13 Spiral-luka perakitan modul. Salah satu atau kedua pasangan menghubungkan
cabang (X dan Y) dapat digunakan untuk perumahan stackable, khusus digunakan di UF
konsep.
modul berongga-serat kartrid yang berisi kumpulan dari 45 menjadi lebih dari 3 000 elemen berongga-serat per cartridge. Serat berorientasi secara paralel; semuanya pot dalam resin di ujungnya dan tertutup dalam mengumpulkan serapan
tabung epoxy.
membran memiliki diameter dalam mulai 0,5-2,7 mm, dan
permukaan membran aktif pada bagian dalam serat berongga. luar
dinding berlubang-serat, seperti dinding bagian dalam, memiliki struktur yang kasar dan
bertindak sebagai struktur pendukung untuk membran. Aliran umpan mengalir melalui bagian dalam serat ini, dan permeat dikumpulkan di luar
dan dihapus di bagian atas tabung.
Sebuah fitur khusus dari desain ini adalah kemampuan backflushing, yang merupakan
digunakan dalam pembersihan dan dengan permeat disirkulasi melalui serapan luar
6.4.14.
bahan membran: polimer.
batas pemisahan untuk membran
Batas pemisahan untuk membran ditentukan oleh berat molekul terendah yang bisa dipisahkan. membran
dapat memiliki yang pasti atau batas pemisahan difus, seperti yang digambarkan
dalam gambar 6.4.15 untuk dua membran UF. Fenomena yang sama terjadi pada jenis-jenis pemisah membran, tetapi
kemiringan kurva mungkin berbeda. Membran dengan pasti
batas pemisahan terpisah segala sesuatu dengan pasti lebih rendah berat molekul, sementara membran dengan batas difus membiarkan beberapa materi dengan berat molekul yang lebih tinggi melalui dan menghentikan beberapa dengan berat molekul rendah.
Akurasi pemisahan membran ditentukan oleh
ukuran pori dan distribusi ukuran pori. Karena tidak mungkin
untuk melaksanakan frationation yang tepat sesuai dengan massa molekul atau diameter molekul, cutoff lebih atau kurang menyebar.
Definisi bahwa berat molekul menentukan batas pemisahan harus diambil dengan beberapa syarat, sebagai bentuk terpisah
partikel juga memiliki pengaruh. Sebuah partikel bola lebih mudah untuk memisahkan dari
partikel rantai berbentuk. Selain hadir build-up dari "sekunder
membran "oleh makromolekul, misalnya protein, yang mungkin merupakan membran yang benar-benar menentukan nilai cutoff molekul.
transportasi bahan melalui selaput
kapasitas pemisahan tergantung pada sejumlah faktor:
• resistensi Membran, yang merupakan karakteristik untuk setiap membran dan ditetapkan oleh
- Ketebalan membran, - Luas permukaan, - Diameter pori.
• resistensi Transport, yaitu polarisasi atau fouling efek. Polarisasi adalah a fouling (atau menyilaukan) efek yang terjadi pada permukaan
membran sebagai hasil filtrasi.
Pembentukan lapisan deposito dapat dijelaskan sebagai berikut:
• molekul besar (yaitu protein dan lemak) yang diangkut oleh konveksi untuk membran di sebelah kanan sudut ke arah aliran.
• Sebuah gradien konsentrasi menghasilkan kembali difusi di seberang arah.
• Sejalan dengan membran, protein hadir dalam lapisan dekat dengan
Langkah membran pada kecepatan yang bervariasi sesuai dengan peningkatan laju aliran aksial.
• Efek polarisasi tidak merata di sepanjang membran,
tekanan (TMP) sepanjang permukaan membran. The hulu akhir membran karena itu cloged pertama. polarisasi secara bertahap menyebar ke seluruh permukaan, mengurangi kapasitas dan akhirnya sehingga perlu untuk berhenti dan membersihkan tanaman.
Efek utama dari polarisasi adalah bahwa penghapusan serapan menurun sebagai hasil filtrasi.
• Efek polarisasi dapat dikurangi dalam konsep-konsep tertentu dengan menggunakan
Backflush, arus balik atau UTP (mungkin ketika membran keramik digunakan).
kondisi tekanan
Tekanan adalah kekuatan pendorong dari filtrasi, dan perbedaan penting harus dibuat antara:
1. Penurunan tekanan hidrolik sepanjang modul P = P1- P2. Semakin tinggi nilai P, semakin tinggi kecepatan melalui modul, tinggi geser pada membran dan rendah efek polarisasi.
Namun, ada kendala seperti tahan terhadap tekanan dari
membran dan harga pompa mampu memberikan kedua arus tinggi dan tekanan tinggi.
2. Tekanan transmembran (TMP) adalah penurunan tekanan antara retentat dan sisi serapan dari membran pada titik tertentu
sepanjang membran. Kriteria utama dari efisiensi membran Sistem - fluks di l / m2 / jam - adalah fungsi dari TMP.
TMP, yaitu kekuatan yang mendorong serapan melalui membran, adalah terbesar di inlet dan terendah pada akhir pembuangan modul. Karena penurunan TMP adalah linear, suatu TMP rata diberikan oleh
Ara. 6.4.16 Hidrolik (A) dan transmembran (B) tekanan turun lebih dari membran Penurunan tekanan hidrolik selama membran (A) dan transmembran yang
profil tekanan (B) diilustrasikan dalam Gambar. 6.4.16. Prinsip desain tanaman
Operasi tanaman filtrasi membran pada dasarnya tergantung pada tekanan yang dihasilkan oleh pompa yang digunakan. Panduan berikut harus dilakukan mempertimbangkan:
1. Kapasitas pompa (s) harus sesuai laju aliran yang dibutuhkan dan karakteristik modul (s), yang bervariasi sesuai dengan modul
desain dan ukuran.
2. Pompa (s) harus sensitif terhadap perubahan dalam viskositas dari
aliran diproses sampai ke batas viskositas dari modul. It / mereka juga harus beroperasi secara efisien pada suhu yang digunakan untuk processsing dan pembersihan.
3. Pompa (s) harus memenuhi standar sanitasi untuk peralatan susu.
pompa biasanya digunakan sebagai pakan dan sirkulasi pompa, tapi sanitasi pompa perpindahan positif
kadang-kadang digunakan sebagai tekanan tinggi pakan dan sirkulasi pompa untuk cairan tinggi viskositas, misalnya di tahap akhir
ultrafiltrasi susu yang diasamkan.
tanaman pemisahan membran dapat digunakan untuk kedua batch dan produksi yang berkesinambungan. Pakan solusi harus tidak mengandung partikel kasar, yang dapat merusak sangat
kulit filtrasi tipis. Sebuah saringan halus menyatu Oleh karena itu sering terintegrasi ke dalam sistem pakan.
batch produksi
Tanaman untuk produksi batch, sosok 6.4.17, digunakan terutama untuk filtrasi volume kecil produk, misalnya di
laboratorium dan tanaman eksperimental. Sebuah jumlah tertentu produk untuk diperlakukan disimpan dalam tangki penyangga. Itu produk beredar melalui pemisah membran sampai
konsentrasi yang dibutuhkan diperoleh. produksi yang berkesinambungan
desain skema dari tanaman filtrasi membran disebut untuk dikumpulkan di angka 6.4.18. dan 6.4.19. Itu
tanaman diilustrasikan pada gambar. 6.4.18 mewakili konsep spiral-luka untuk aplikasi RO, NF dan UF, dengan membran polimer
ukuran pori yang berbeda, sementara ara. 6.4.19 menunjukkan MF tanaman dengan membran keramik.
Sebagai membran RO yang jauh lebih ketat dibandingkan
dua sistem lain, tekanan inlet yang lebih tinggi diperlukan untuk produksi. Ini dikelola oleh tiga sentrifugal saniter
pakan pompa secara seri dan satu pompa sirkulasi sentrifugal. Dua tanaman filtrasi lainnya, NF dan UF, memiliki lebih
membran terbuka dan karena itu dapat mengelola dengan dua pakan pompa dan satu masing-masing.
Seperti telah disebutkan sebelumnya, konsep MF berdasarkan dua elemen yang dioperasikan secara seri dalam sistem loop filter yang juga berisi satu pompa sentrifugal untuk sirkulasi
yang retentat dan satu untuk sirkulasi permeat. Larutan umpan dapat dipasok dari pemisahan
tanaman dengan sistem tekanan konstan di outlet, atau dari keseimbangan tangki dilengkapi dengan pompa dan sistem regulasi kapasitas.
suhu pengolahan membran aplikasi filtrasi
Dalam kebanyakan kasus suhu pengolahan adalah sekitar 50 ° C untuk aplikasi susu.
tanaman filtrasi biasanya dilengkapi dengan pendingin sederhana
