Оптимизация процесса электродиализного обессоливания

14-05-2014, 11:01

При осуществлении электродиализного процесса обессоливания УФ-концентратов трудность заключается в выборе такого критериального параметра, который мог бы в достаточно полной мере характеризовать весь процесс в целом. Таким критерием могла бы быть производительность ЭД-процесса, характеризуемая количеством удаленных минеральных веществ за фиксированное время. Однако этот параметр носит интегральный характер, зависящий от всей совокупности факторов, некоторые из которых трудно поддаются контролю и регулированию, а также сложным образом изменяются при проведении ЭД-процесса. Учет этих факторов значительно усложняет проведение исследований по оптимизации ЭД-процесса.
Анализ возможностей построения необходимого критерия показал, что для электродиализного процесса в качестве такового целесообразно выбрать электрическое сопротивление совокупности камер обессоливания электродиализатора. Этот параметр отражает существенную функциональную характеристику ЭД-процесса, то есть возможность обессоливания. Выбранный критерий является функцией гидродинамического режима циркуляции УФ-концентрата в камерах обессоливания, температуры, pH и солесодержания продукта. Все эти параметры являются регулируемыми, за исключением последнего.
Однако, как показала практика, при регламентированном режиме процесса ультрафильтрации массовая доля золы в УФ-концентрате имеет незначительный разброс, который при фиксированных значениях pH и температуры несущественно влияет на его электропроводность. Гидродинамический режим в камерах обессоливания определяется в основном конструкцией прокладок-турбулизаторов и гидравлическим давлением, оптимальное значение которого заранее определено. Таким образом, главными факторами, определяющими данный критерий, являются температура процесса и pH УФ-концентрата.
При проведении оптимизационного эксперимента были определены пределы варьирования входных факторов:
— температура ЭД-процесса — X1, пределы изменения от 30 до 56 °С.
— величина pH УФ-концентрата — X2, пределы изменения от 4,6 до 6,4.
В качестве выходного параметра выбран критериальный параметр R, характеризующий суммарное электросопротивление камер обессоливания после установленного рабочего режима, определяемое по формуле

Оптимизация процесса электродиализного обессоливания

где Uσр — напряжение на электродиалнзаторе при вхождении в рабочий режим, колеблется от 160 до 200 В;
I — ток на мембранном пакете, А;
σр — электропроводность рассола, Ом/м;
σк — электропроводность УФ-концентрата, Ом/м.
Значения параметров, не попавших в группу выделенных факторов, поддерживались примерно на постоянном уровне, а именно:
Co — начальная концентрация рассола, Co равен 0,3 %;
V — объем УФ-концентрата V равен (60-80) 10 3 м3;
Ссв — массовая доля сухих веществ в УФ-концентрате, Cсв равен 9,8-20,2 %.
Особенность математической конструкции критерия оптимизации R, выражаемого формулой (7.1), заключается в том, что умеренные колебания значений вышеперечисленных параметров не оказывают на него существенного влияния. Значения критерия вычислялись в момент стабилизации режима, то есть через 15 минут после подачи токовой нагрузки. Матрица планирования и результаты экспериментов (значения критерия оптимизации) представлены в табл. 7.8.
Уравнение регрессии, полученное по результатам математической обработки экспериментальных данных, имеет следующий вид:

С целью описания влияния каждого фактора на параметр оптимизации построен график, на котором зафиксировано семейство уровней параметра (рис. 7.15).

Анализ семейства уравнений, соответствующих линиям уровня, представленных на рис. 7.15, позволяет выделить область значений факторов X1 и X2, соответствующих наиболее интенсивному протеканию ЭД-процесса обессоливания УФ-концентратов (минимальное значение параметра оптимизации), а именно температура 48-50 °С; pH 4,8-5,3. В общем случае регулирование pH УФ-концентрата целесообразно производить соляной кислотой. В процессе электродиализа наряду с удалением из УФ-концентрата минеральных веществ происходит удаление соляной кислоты. Альтернативной возможностью снижения pH является ведение процесса деминерализации при определеных плотностях тока с сочетанием высоких скоростей циркуляции растворов. Однако в большинстве случаев необходимость в таких мерах отпадает, в связи со спросом на готовый продукт с невысоким уровнем деминерализации и нежелательностью введения реагентов.
Таким образом, в результате проведения оптимизационного эксперимента получено уравнение регрессии и область значений температуры и pH УФ-концентрата, соответствующих оптимальному протеканию процесса его электродиализного обессоливания: 48 < t < 50, 4,8 < pH < 5,3.
Деминерализации подвергались образцы сывороточных УФ-концентратов с массовой долей сухих веществ от 10 до 20 %, что соответствует массовой доле азотистых веществ 35-60 % в сухом остатке. Процесс деминерализации осуществляли при температуре 49-52 °С. Учитывая влияние pH на диссоциацию комплексов и взаимосвязь различных макро- и микроэлементов с сывороточными белками, представляет интерес выявление характера такой взаимосвязи в процессе деминерализации УФ-концентратов. Показанную на рис. 7.16 зависимость темпа удаления макроэлементов от уровня деминерализации получили в интервале значений активной кислотности pH 6,4-6,6.

Темп удаления одновалентных ионов выше, чем двухвалентных, несмотря на то, что подвижность их в электрическом поле вдвое меньше. Этот факт обусловлен тем, что большая часть содержащихся в сыворотке, а, следовательно, и концентрате сывороточных белков кальция и магния связана в различные комплексы с молекулами белка, а также слабодиссоциирующие молекулы фосфатов и цитратов. Поскольку в электродиализном переносе участвуют свободные ионы, именно одновалентные ионы удаляются в первую очередь, что также подтверждается исследованиями по деминерализации молочной сыворотки.
С увеличением степени деминерализации, особенно после достижений уровня 40 %, темп удаления кальция и магния возрастает. Такой факт можно объяснить исходя из условия электронейтральности раствора, требованием которого является равенство суммы свободных зарядов катионов и анионов. В исходном растворе, когда число катионов превышает число анионов, часть катионов должна быть связана с анионными группами белков, либо катионы образуют с присутствующими анионами растворимые комплексные соединения. Цитраты и фосфаты обладают способностью к образованию комплексов, и часть магния и кальция связывается в форме растворимых цитратных комплексов.
В ходе экспериментов выявлено, что величину pH сывороточных белковых концентратов можно регулировать в пределах 6,8-4,7, направленно изменяя электрические параметры на установке. Увеличение величины pH, несмотря на снижение эффективности процесса, может быть обусловлено требованием к готовому продукту. Во втором случае, несмотря на значительное удаление многовалентных ионов, имеет место блокирование мембран белками, особенно при работе в принятых режимах циркуляции растворов (0,1-0,15 м/с) с прокладками-турбулизаторами, что приводит к преждевременному выходу мембран из строя вследствие концентрационной поляризации. Поэтому максимальное извлечение минеральных веществ, особенно кальция, лучше проводить при подкислении концентрата.
На рис. 7.17 приведены характеристики макроэлементного состава концентратов сывороточных белков, полученных в процессе деминерализации при значениях pH 6,35-6,10 и плотностях тока, соответствующих 80% от предельного значения.

Анализ приведенных данных показывает, что при одном и том же значении конечного уровня деминерализации темп удаления отдельных минеральных элементов из концентратов сывороточных белков при электродиализе снижается в порядке следующего расположения: для макроэлементов — калий, магний, натрий, фосфор, кальций, магний; для микроэлементов — железо, кобальт, медь, цинк, марганец. Для одновалентных ионов калия и натрия степень удаления соответствует их подвижности в электрическом поле. Для остальных элементов не обнаружено определенной зависимости между степенью удаления и подвижностью в электрическом поле, что свидетельствует о достаточно прочной связи многовалентных ионов с белками.
Деминерализация белковых концентратов приводит к обогащению их в относительном содержании многовалентными ионами (фосфором, кальцием, магнием), доля которых в концентрате возрастает, что подтверждает выявленная в процессе электродиализа динамика минерального состава.
Электродиализное обессоливание позволяет регулировать в широком интервале минеральный состав концентрата. Абсолютное содержание отдельных макроэлементов в процессе деминерализации зависит от таких показателей при обработке сырья и концентрата, как pH и температура. Значительное отклонение какого-либо показателя изменяет соотношение этих компонентов. Результаты исследований позволяют охарактеризовать различные концентраты, получаемые с использованием баромембранных и электромембранных процессов (табл. 7.9).

Полученные в результате выполнения исследований опытные и промышленные образцы концентратов сывороточных белков с различным составом и свойствами использовали в технологии продуктов функционального питания.