Баромембранное разделение несепарированной подсырной сыворотки ультрафильтрацией

14-05-2014, 10:53

С.П. Бабенышевым под руководством проф. И.А. Евдокимова проведены широкомасштабные исследования ультрафильтрации жидких высокомолекулярных полидисперсных систем (сокращенно по автору ЖВПС) — специфических медицинских сывороток и несепарированной подсырной сыворотки, которая является предметом описания ниже.
Исходя из тщательного изучения состояния проблемы по рациональной обработке ЖВПС, как потенциального источника загрязнения сточных вод (рис. 7.4) и теоретических предпосылок, сформулирована концепция, в том числе с использованием методологии искусственного интеллекта (нейронные сети).

Баромембранное разделение несепарированной подсырной сыворотки ультрафильтрацией

Предложен механизм ее решения с применением баромембранных процессов, схема которых, по видению авторов, приведена на рис. 7.5.

На данной методологической основе были проведены экспериментальные исследования процесса баромембранного разделения несепарированной молочной (подсырной) сыворотки (HMC) без удаления казеиновой пыли, что является в данном случае принципиально важным, содержит элементы «ноу-хау» и патентоспособно.
При этом была принята гипотеза о возможности интенсификации процесса баромембранного разделения молочной сыворотки путем одновременного:
— модифицирования мембранной поверхности одним из компонентов разделяемой системы;
— турбулизации потока разделяемой системы другим ее компонентом, представляющем собой относительно твердые частицы дисперсной фазы, перемещающиеся к центральной оси мембранного канала.
Основными факторами, влияющими на кинетические характеристики процесса, являются:
— рабочее давление в канале баромембранного аппарата, ΔP (МПа);
— скорость циркуляции разделяемой системы, V (м/с);
— температура разделяемой системы, t (°С);
— содержание частиц дисперсной фазы в разделяемой системе, С (%),
— длительность процесса, т (ч).
При ультрафильтрации молочной сыворотки интервалы варьирования основных факторов должны быть следующими; ΔP=0,25-0,45 МПа, V=2-5 м/с, C=5-18%. Известно, что при повышении температуры белковых растворов, их вязкость уменьшается, что, как правило, способствует увеличению проницаемости мембран при их ультрафильтрации. Однако повышение температуры растворов связано со значительными энергозатратами, которые могут быть в определенной степени компенсированы увеличением проницаемости мембран. Как показал анализ результатов специальных исследований, верхний предел этого фактора следует ограничить параметром t=50-52 °С. При этом нативные свойства выделяемой в процессе ультрафильтрации дисперсной фазы могут быть практически полностью сохранены. Дальнейшее увеличение температуры приведет к росту проницаемости мембран. Однако это будет сопровождаться необратимыми изменениями физико-химических характеристик молочной сыворотки.
Кроме того, необходимо учитывать, что при достаточной длительности процесса ультрафильтрации возникает опасность роста бактериальной обсемененности разделяемой системы. При периодической схеме проведения процесса ультрафильтрации весь объем молочной сыворотки находится в циркуляционной системе баромембранной установки до тех пор, пока не будет достигнут необходимый показатель фактора разделения. Очевидно, что в этом случае параметр т ограничивается на основе анализа результатов биохимических исследований продуктов разделения молочной сыворотки. Для определения предельных значений т в процессе ультрафильтрации этот фактор следует ограничить только уменьшением значения проницаемости мембран и соответствующим ростом их селективности.
Результаты экспериментального исследования зависимости проницаемости Q и селективности Ψ мембран от длительности т процесса ультрафильтрации HMC представлены на рис. 7.6.

Исследования процесса баромембранного разделения молочной сыворотки проводились с использованием мембран УПМ-П (НПО «Полимерсинтез»), характеризующихся высокой селективностью (до 96=98%) при ультрафильтрации подсырной сыворотки.
Для определения степени совместного влияния молочного жира и частиц казеиновой пыли на проницаемость и селективность мембран была проведена серия сравнительных экспериментальных исследований. Результаты проведенных исследований дают основания полагать, что молочный жир сыворотки может оказывать модифицирующее действие на мембранную поверхность, а частицы казеиновой пыли будут турбулизировать поток в примембранной зоне. Опыт эксплуатации промышленных ультрафильтрационных установок при разделении подсырной сыворотки показывает, что для интенсификации процесса ее баромембранного разделения в первую очередь необходимо определить оптимальные значения параметров ΔP и V путем установления зависимостей вида Q=f1(ΔР), и Ψ=f2(V) для выбранного типа мембран при фиксированных остальных параметрах. Графические зависимости проницаемости и селективности мембраны УПМ-П от величины рабочего давления, построенные по данным экспериментальных исследований представлены на рис. 7.7.

Установлено, что при постоянных значениях t, С и V проницаемость Q и селективность Ψ существенно увеличиваются с возрастанием давления ΔP до 0,35-0,38 МПа. Дальнейшее повышение этого параметра практически не приводит к изменению Q и Ψ мембраны. Следует отметить, что при постоянных значениях давления и скорости циркуляции увеличение температуры разделяемого раствора на 10 °С сопровождалось возрастанием проницаемости в среднем на 4-5 % во всем диапазоне варьирования давления ΔР. Соответствующее увеличение селективности составило в среднем 2-3 %.
При сравнительном анализе графических зависимостей проницаемости от величин рабочего давления, полученных при ультрафильтрации НМС, установлено, что наибольшее различие по проницаемости мембран наблюдается в диапазоне давлений ΔP=0,3-0,35 МПа. При этом селективность мембран по белку составляет 93-96 %, а увеличение давления не сопровождается дальнейшим значительным ростом проницаемости Q. Значит при ультрафильтрации HMC оптимальным значением рабочего давления разделяемой системы следует считать диапазон ΔP=0,3-0,4 МПа.
С точки зрения гидромеханических процессов, протекающих в мембранном канале аппарата, изменение нативных свойств белков молочной сыворотки должно быть связано с их комплексообразованием, что приведет к усилению эффекта перераспределения частиц дисперсной фазы. Для проверки этого предположения были проведены экспериментальные исследования процесса ультрафильтрации НMC, предварительно выдержанной при температуре соответствующей термокоагуляции сывороточных белков. В ходе эксперимента сыворотку нагревали до 92 °С, выдерживали 1 час, охлаждали до 55 °С и подвергали ультрафильтрации при различных режимах проведения процесса. Результаты сравнительного исследования влияния рабочего давления ΔP на проницаемость Q и селективность Ψ мембран при ультрафильтрации HMC и HMCT (неочищенная подсырная сыворотка термообработанная) представлены на рис. 7.8.

Интенсивность изменения проницаемости Q при ультрафильтрации HMCT меньше, чем этот показатель в случае использования НМС. Это объясняется тем, что при разделении HMCT дисперсная фаза раствора состоит из скоагулированных и полностью денатурированных белковых компонентов молочной сыворотки.
Результаты исследования зависимости проницаемости Q и селективности Ψ мембран от скорости циркуляции разделяемого раствора в процессе баромембранного разделения HMC и HTMC при ΔP = const и t = const представлены на рис. 7.9.

На основании вышеизложенного уровни варьирования основных факторов, влияющих на проницаемость и селективность мембраны УПМ-П, были установлены в пределах, указанных в табл. 7.1.

В результате проведения многофакторного эксперимента получены поверхности отклика (рис. 7.10) и регрессионные уравнения, определяющее зависимость проницаемости Q мембраны при микрофильтрации HMC от основных факторов, влияющих на процесс мембранного разделения:

На основании анализа результатов исследований определены следующие диапазоны оптимальных значений основных внешних факторов, влияющих на кинетические характеристики процесса баромембранного разделения НМС: рабочее давление 0,32-0,34 МПа; скорость циркуляции 2,5-4 м/с; температура раствора 40-50 °С; предел концентрирования 12-14%; длительность процесса 5-7 часов.
Для системной аппроксимации результатов исследований по аналогу использована методика «нейронная сеть», позволяющая решать сложные задачи оптимизации функций с множеством переменных. Наиболее часто для этих целей используется архитектура сети в виде многослойного персептрона (рис. 7.11).

Наиболее сложным по физико-химическим свойствам объектом баромембранного разделения является неочищенная в поле центробежных сил молочная сыворотка (НЦМ). При ее ультрафильтраци на проницаемость и селективность мембран влияние оказывают следующие входные факторы:
— рабочее давление в канале баромембранного аппарата;
— скорость циркуляции разделяемой системы;
— длительность процесса разделения;
— температура разделяемой системы;
— массовая доля частиц дисперсной фазы в потоке;
— активная кислотность разделяемой системы.
Поверхности отклика, полученные в результате обработки массива экспериментальных данных с использованием методики нейронной сети (рис. 7.12), отличаются от результатов полученных с применением стандартных прикладных программ Microsoft Excel и Statistica 6.0 для ПЭВМ наличием не одного, а, по крайней мере, трех экстремумов.

Результаты численного расчета проницаемости и селективности мембран при баромембранном разделении HMC с использованием нейронной сети представлены в табл. 7.2.

Из представленных данных следует, что область оптимальных значений рабочих параметров процесса баромембранного разделения HMC оказывается гораздо шире, чем это показывает расчет, проведенный традиционным способом. Это дает основания сделать заключение о целесообразности применения методики нейронной сети для обработки экспериментальных данных, полученных в результате исследования процесса баромембранного разделения ЖВПС. Кроме того, с помощью нейронной сети можно провести виртуальные эксперименты, направленные на дальнейшее изучение закономерностей процесса баромембранного разделения ЖВПС. Причем такая методика позволяет моделировать сочетание внешних факторов, по усмотрению самого исследователя практически в любых диапазонах, и в режиме реального времени отслеживать динамику выходных параметров мембран.
На данной экспериментальной базе авторами сформулированы требования к аппаратурному оформлению процесса ультрафильтрации нативной (несепарированной) подсырной сыворотки.