Мембраны: понятие и виды

     Выпускаемые промышленные мембранные модули включают ряд типоразмеров, и обычно установки  мембранного разделения состоят  из нескольких модулей. Поэтому выбор  оптимальной схемы соединения модулей  является важной задачей при проектировании. Способ соединения модулей зависит от требований к конечному продукту, характеристик исходного потока смеси ее давления и других факторов.

     При параллельном соединении модулей возможно отключение любого из них без изменения  условий работы других модулей, поскольку смесь поступает из одного коллектора, и все модули находятся в одинаковых условиях. Однако даже небольшое отличие модулей по гидравлическому сопротивлению вызывает снижение степени извлечения и чистоты целевого компонента.

     При последовательном соединении модулей получают несколько продуктов различной чистоты, при этом модули, установленные в конце технологической линии, работают с более низким коэффициентом полезного действия.

     Каскадные схемы.

     Применение  параллельно-последовательной схемы  подключения модулей позволяет достичь высокой степени извлечения и чистоты целевого продукта в широком интервале нагрузок. Для достижения высокой чистоты по проникшему или не проникшему сквозь мембрану продукту используют каскадные схемы соединения модулей, простейший из которых показаны на рис. . Более эффективными являются каскадные схемы с рециркуляцией обедненных целевым компонентом потоков. В таких каскадных схемах эффективность работы системы зависит не только от КПД отдельной ступени, который определяется материалом мембраны и способом организации потоков в модуле, но и в значительной степени от направления материальных потоков между разделительными ступенями.

      

     Мембранные установки 
 

     Независимо  от конструкции мембран и мембранных модулей все мембранные установки однотипны по конструктивному исполнению и состоят из одного или нескольких фильтровальных контуров в состав которых входят: мембранный модуль, система трубопроводов для подачи жидкости и отвода концентрата и фильтрата; циркуляционного насоса, теплообменника и КИП и арматуры (краны, вентили…)

     Любая мембранная установка имеет емкости  для исходной жидкости, концентрата  и фильтрата.

     В исходной емкости находится жидкость, подвергающаяся мембранной обработке. С помощью насоса в системе  создается определенная скорость потока и давление. В теплообменнике жидкость, если необходимо, нагревается до определенной температуры. В мембранном модуле непрерывно отбирается фильтрат. Вследствие отбора фильтрата давление непрерывно уменьшается в модуле. Для контроля рабочего давления предусматривают два манометра на входе и выходе из модуля. Рабочим давлением считается среднеарифметическое значение этих давлений. С помощью подпорного вентиля регулируют давление в системе. С помощью вентиля другого образующийся концентрат передают на следующую операцию.

     Таким образом, в отдельном фильтровальном контуре мембранная обработка может осуществляться либо периодическим, либо непрерывным способом.

     По  периодическому варианту в исходную емкость помещают определенный объем жидкости. После разделения на модуле, образовавшийся концентрат возвращается в исходную емкость.

     Объем в исходной емкости уменьшается  до тех пор, пока ее химический состав не будет удовлетворять потребителя.

     Если  в исходную емкость непрерывно добавлять  фильтруемую жидкость с расходом (м³/с) равным расходу фильтрата из модуля, то этот процесс будет считаться непрерывным.

     Из  подобных мембранных фильтрационных контуров формируют мембранные установки  производительность которых зависит  от площади мембран.

     Мойка осуществляется приблизительно 20 мин. Каждый модуль моют попеременно. 

     Типичная  технологическая  схема концентрирования и очистки высокомолекулярных растворов

     Например, при производстве ферментных препаратов в исходном растворе питательных веществ культивируется определенная раса м.о. Если эти м.о. вырабатывают внутриклеточный фермент, в конце культивирования разрушаются клетки ультразвуком. Ферменты при этом переходят в раствор, где содержатся остатки питательных веществ, буферные соединения и побочные продукты жизнедеятельности м.о.

     Концентрация  ферментов в культоральном растворе невысока (0,2…0,6 %). Для того, чтобы очистить желаемые ферменты от низкомолекулярных примесей не затрагивая нативных свойств, а также активность ферментов (количество субстрата, на который действует фермент в единицу времени при оптимальных условиях).

     Для того, чтобы снизить затраты на обработку такого низкоконцентрированного  раствора фермента, его вначале обрабатывают ультра или микрофильтрацией. При  этом концентрат фермента повышают в  десятки раз. Полученный  УФ концентрат или МФ концентрат ферментов требует дополнительной очистки так как концентрация низкомолекулярных соединений в нем остается неизменной. При диафильтрации этого раствора эти соединения можно удалить самым эффективным способом не затрагивая нативных свойств. Очищенный концентрат либо хранится в замороженном состоянии, либо подвергается сушке (лиофилизация), либо используют прямо по назначению.

     Фильтраты, образующиеся на стадии ультра- или  микрофильтрации, диафильтрации объединяются и подвергаются обратноосмотическому концентрированию.

     Фильтрат  обратноосмотической ступени используется:

1. для приготовления исходного раствора
2. в качестве диафильтрационного растворителя

 

     обратноосмотический концентрат содержит низкомолекулярные  соединения в истинном растворе, что  определяет его использование для нужд биотехнологии (питательная среда для развития других микроорганизмов).

     Таким образом, комбинируя ультрафильтрацию, микрофильтрацию и обратный осмос  можно получать сверхчистые концентрированные  растворы биополимеров при самых  низких энергетических и материальных затратах в сравнении с другими существующими способами концентрирования и очистки подобных веществ.

     Мембранными методами можно добиться системы  замкнутого водопотребления.

     Энергетические  затраты при мембранной обработке, как правило, в десятки раз ниже, чем по традиционным  технологическим схемам, использующим тепловое выпаривание, криоконцентрирование, сублимацию и т.д.

     На  сегодняшний день в широких масштабах  в пищевой промышленности мембранные способы используют: