Wykład 1
Procesy membranowe
???
Historycznie....
Materiały:
- pierwsza generacja membran – głównie z polimerów octanu celulozy (mała wytrzym. na temp. , pH i chem.)
- II gen. – z syntetycznych polimerów organicznych, zwłaszcza pochodnych sulfonowych jak również polichlorku winylu, poliakrylonitrylu i estrów celulozowych (zwiększona wytrz. mech., cieplna i fizykochem.) – aktualnie najczściej stos.
- w ostatnich latach – materiały nieorg., z których produjkuje się memb. min.: met., szklane, węglowe, ceramiczne )b. wys. odp. na tempo., chem., długi okres trwałości
- ciągle wysokie koszty inwestycyjne.
Klasyfikacja modułów:
Moduł – techniczny układ membran – podst. element każdej instalacji membranowej.
Membrany o przekroju kołowym: rurowy, kapilarny, z włóknami pustymi
Membrany płaskie – moduł płytowy, spiralny
Zast. membran:
Rozdział składników – frakcjonowanie, zagęszczanie, oczyszczanie
Kontaktowanie skł. – procesy równowagowe, destylacja membranowa, absorbcja membranowa, ekstrakcja membranowa
Kontrolowane uwalnianie skł. – dozowanie leków, feromonów, śr. ochr. rośli., odżywek, natlenianie
Inkluzja skł. – hodowla komórek, immobilizacja mikroorg., enz. i podtsawników, sondy selektywne
Sposoby przeprowadzania procesu membranowego:
Proces statyczny – proces przeprowadzany „prostopadle” do membrany; szybkie zapychanie porów, potrzeba przemywania; w czasie spada wydajność filtracji
Proces dynamiczny (cross-flow)- mieszanina przepływa „równolegle”, dużo wolniejsze odkładanie się osadu, mniejszy spadek wydajności w czasie,
Stosowane aktualnie proc. mem.
RO – ciecz/ciecz – siła napędowa – różnica ciśnień do 20MPa (obróbka ukł. wodnych)
Nanofiltr. - --„-- - --„—2MPa (frakcjonowanie substancji rozp. w roztw. wodnych
Ultrafiltr. - --„-- - do 1MPa (zatężanie, frakcjonowanie i oczyszczanie makromolekularnych roztw. wodnych)
Elektrodializa – pole elektryczne prostopadłe do membrany
Perwaporacja – ciecz/gaz – obniżenie ciśnienia cząstkowego po stronie permeatu
Permeacja gazowa – gaz/gaz – nadciśnienie po stronie zasilania ok. 8MPa lub częściowa próżnia po stronie permeatu
Membrany w prod. żyw.:
Zast. w konwencjonalnych procesach, np. zagęszczanie poprzez ultrafiltrację lub odwr. osmozę zamiast odparowania.
Rozwój nowych procesów np. bioreaktory z ciągłym wydzielaniem produktu z układu reakcyjnego.
Wytw. nowych produktów, np. nowe rodzaje sera lub produkty pozbawione soli.
Memb. w biotech.:
Wydzielanie subst. termolabilnych.
Zatężanie subst. biologicznie czynnych.
Kontrolowane dozowanie np. enzymów.
Zjawisko polaryzacji stężeniowej:
Siła napędowa (różnica ciśnień) kieruje cząstki w kierunku membrany; selektywność membran powoduje, że tylko niektóre cząstki przenikają przez membranę, inne gromadzą się w warstwie powierzchniowej.
Stężenie przymembranowe cm wzrasta i w krótkim czasie przekracza stężenie związku w nadawie cb. Różnica między tymi stężeniami powoduje dyfuzję powrotną związku, od pow. mem. do roztw.
Adsorpcja wywołana jest powinowactwem mat. mem. do skł. nadawu (nadawy) i dot. zw. wielkocząst.
Polaryzacja stężeniowa ogranicza strumienie i pogarsza efekt separacji. W rozwiązaniach konstrukcyjnych zakłąda się jako zadanie pierwszoplanowe stałe lub periodyczne zmywanie warstwy (np. przepływ krzyżowy).
Blokowanie mem. (fouling):
Blokowanie narasta w czasie i zwiększa opory przepływu, a na efekt całkowity składają się:
- oprór własny mem. (Rm)
- o. warstwy żelowej (placka) Rg
- o. cząst. lub osadu w porach membrany Rp
- o. spowodowany adsorbcją cząst. filtrowanych na pow. porów (mniejszy promień) Ra
- o. będący skutkiem polaryzjacji stężeniowej Rcp
Blokowaniu przeciwdziała modyfikowanie właściwości membran oraz burzliwy przepływ nadawy, osiągany ppoprzez:
-pulsacje ciśnienia
- rotacje lub wibracje membran
- ultradźwięki
- turbulencje nadawy wywołane strumieniem gazu
- pole elektryczne
- nierównomierność (falistość) pow. mem.
Klasyfikacja proc. mem.:
Proc. chem. – chemiodializa, membrany ciekłe, transp. ułatwiony, separacja afinitywna
Proc. cieplne – dest. mem., dest. próżniowa-mem.
Proc. elektr. – elektrodializa, elektrostatyczne, pseudociekłe mem.
Proc. ciśnieniowe – mikro, ultra, nanofiltracja, RO
Proc. dyfuzyjne – perwaporacja, perstrakcja, dializa, ekstr. mem., absorbcja mem.
Proc. ciśnieniowe:
- woda i inne skł. dyfundują z roztw. przez selektywnie przepuszczającą membranę
- siła motoryczna – różnica ciśnień na mem. znacznie przekraczająca różniecę ciśnień osmotycznych faz rozdzielonych membraną
- z energ. punktu widzenia – met. najkorzystniejsze w stosunku do innych metod zagęszczania i separacji
- minimalna degradacja termiczna produktu
- możliwość osiągnięcia w jednej operacji zarówno oczyszczania jak i zagęszczania związków
Rozmiary porów:
mikrofiltracja - >0,6mikrometra – zatrzymuje mikroorg.
ultra – 0,1-0,01 mikrom. – zatrzymuje białka, wirusy,
nanofiltr. – 0,01-0,001
RO - <0,001
Wcześniej był nie mój wykłąd!!!
Mikrofiltracja:
Odmiana klasycznej filtracji; usuwanie koloidów, zaiwesin i mokroorg.; mem. rurowe.
Stos. p – 0,05-0,2 MPa – różnica ciśnień podawanego przez pomp[ę a ciś. atm.
Podst. zast. – zimna sterylizacja (pozwala utrzymać trwałość mleka powyżej 10 dni i w ponad 95% usuwa przetrwalniki B. cereus, a w poł. z łagodną past. daje produkt całkowicie bezpieczny, o zachowanych cechach mleka surowego)
Ultrafiltracja:
Przechodzą przez membranę solę i cukry proste; zatrzymywane są skrobia, białka, enz. i inne zw. wielkoczasteczkowe; membrana zatrzymuje cząstki o masie cząsteczkowej większej niż 1000Da
Stos. ciśnienia 0,3-1 MPa
Maks. stęż. produktu 20-30%
Nanofiltracja:
Przechodzą przez membranę woda i sole min.; membrana zatrzymuje związki o masie cząst. większej niż 250Da (rozmiar cząsteczek większy niż 0,0005-0,005 mikrometra)
Wyst. zjawisko polaryzacji stężeniowej.
Dlatego konieczne jest stosowanie ciśnienia 1-3MPa.
Główne zast. – demineralizacja wody na mem. naładowanych ujemnie, które odpychają aniony.
Odwrócona osmoza:
Nie wyst. efekt sitowy, który jest podstawą separacji w MF i UF; rozmiary separowanych skł. są znacznie mniejsze, porównywalne z rozmiarami rozpuszczalnika (zwykle wody); separacja substancji rozpuszczonych występuje , mimo że pory w membranach do RO mają średnice do 10x więksaze od rozmiarów separowanych składników.
Przechodzą przez membranę, cząsteczki o masie molowej mniejszej od 50 Da (rozmiar cząsteczek (0,0001-0,0005 mikrometrów)
Bardzo wyrraźna polaryzacja stężeniowa.
Konieczność stos. wys. p:
osmoza wysokociśnieniowa – 6-11MPa (odsalanie wody morskiej) (może dochodzić do 20MPa)
niskociśnieniowa – 1,5-4,5MPa
Maks. stężenie konc. 20-35%, depektynizowane soki owocowe 30-35%.
Odsalanie wody morksiej i podskórnej – najbardziej zaawansowane zast. RO; obecnie światowa produkcja słodkiej wody tą met. – 11,5 mln m3/ dzień, co stanowi 25% całej odsolonej wody.
Zast.
MF – zimna steryl. piwa, mleka, klarowanie wina, piwa, soków, octu, syropów glukozowych, odzyskiwanie „piwa resztkowego”
UF – klarowanie, otrzymywanie prep. białkowych z mleka i serwatki, prod. serów miękkich (camembertm brie, feta i serów twarogowych), normalizacja zaw. białka w mleku, prod. napojów ferm., oczyszczanie i wydzielanie enz., reaktory i fermentory membranowe, oczyszczanie ścieków
NF- uzdatnianie wód podziemnych i powierzchniowych, odsalanie wód, sera, zmiękczanie wód
RO – zagęszczanie serwatki, soków, mleka, otrzymywanie laktozy, odzysk aromatów, odsalanie wody morskiej, oczyszczanie ścieków
Perwaporacja:
Proces odparowania membranowego (zachodzi przemiana fazowa); prostopadle do kier. ulatniania się oparów umieszcza się błonę przepuszczającą cząst. pary wodnej lub związków org. (w zależności od rodzaju mem.); siła nap. – róz. potencjałów chemicznych po obu stronach mem.
Separacja wynika z różnic w rozp. poszcz. skł. w nieporowatej membranie (sorpcja) oraz różnic w szybkości ich dyfuzji poprzez membranę.
Aby zapobiec skraplaniu się pary na membranie, zwiększa się róznicę prężności pary wodnej po przeciwnych stronach membrany poprzez: ... rysunek
W proc. perwaporacji strumień maleje ze spadkiem temperatury, stos. się podgrzewanie po stronie zasilania; charakterystyczne więc dla tych instalacji jest szeregowe poł. modułów i wymienników ciepła: Rysunek
W większości moduły, wymienniki i kondensatory instalowane są w kloszach próżniowych, co umożliwia odprowadzanie permeatu bez strat ciśnienia.
Zast.:
Odzysk i zagęszczanie aromatów
Dealkoholizacja napojów alk.
Odwadnianie mieszanin azeotropowych (np. odwadnianie etanolu, bioetanolu, izopropanolu, wykorzystywanego do ekstr. olejów jadalnych zamiast szkodliwych rozp. org.)
Ciągłe usuwanie etanolu z biofermentorów.
Perwaporacja jest korzystniejsza finansowo jeśli chodzi o eksploatację, jednak instalacja jest dużo droższa.
Wykład 3
Suszenie sublimacyjne
Zamrażanie
65%-90% wody – stan stały
10-35% wody – stan niewymrożony
Szybkość zamrażania
- istotny wpływ na końcową strukturę produktu
- decyduje o wielkości powst. kryształów lodu
- niższa temp – duża szybkość – małe kryszt.
- wyższa temp....
- decyduje o porowatości produktu
- istotna w przypadku żywych komórek:
- bardzo szybkie zamrażanie + substancje ochronne
- przeżywalność zależna od fazy wzrostu
Suszenie
Pierwszy etap – sublimacja
Po zamrożeniu – szybkie obniżenie ciśnienia do wart. umożliwiającej sublimację lodu. Dostarczenie ciepła sublimacji na drodze przewodzenia, z odpowiednią prędkością aby nie występowało powierzchniowe topnienie. Przemieszczanie się pary wodnej wewnątrz materiału przez porowatą strukturę. Kondensacja w postaci lodu na zimnych powierzchniach kondensatora.
Drugi etap:
Usuwanie wody niezamrożonej, związanej z materiałem. Istotny wpływ na długość całego procesu. Ogrzewanie pod obniżonym ciśnieniem. Temp. 10-50oC.
Schemat suszarki sublimacyjnej – rysunek
Skrobakowa suszarka sublimacyjna o działaniu ciągłym
Suszarka sublimacyjna wibrograwitacyjna o działaniu ciągłym
Suszenie na nośnikach:
- materiał inertny lub aktywny sorbent:
- konwekcyjne: flidyzacyjne, wibracyjne, fontannowe, bębnowe
- kontaktowe: walcowe
Zastosowanie nośników umożliwia suszenie cieczy metodami konwekcyjnymi.
2 rodzaje nośników:
Materiał inertny (nie wchodzi w skład produktu końc.):
- odparowanie następuje z pow. mat. inert.
- nie zmienia składu subst. suszonej
Aktywny sorbent:
- zmienia skład i formę subst. susz. z postaci cieczy w postać granulatu
- zmniejsza pocz. zaw. wody subst. susz.
- funkcja ochronna
Cechy dobrego nośnika:
- nie może obniżać jak. subst. susz.
- nie może być środ. niekontrolowanego wzrostu dbn
- łatwo dost. i tani
Metody suszenia na nośnikach:
- rozpylanie cieczy na złoże inertne nośnika
- granulacja z sorbentem przed wprowadzeniem do suszarki
Suszenie konwekcyjne:
Suszarki fluidyzacyjne
Zalety:
- szybka wymiana ciepła i masy: krótki czas kontaktu
- intensywne mieszanie: ogrzewanie izotermiczne, produkt jednorodny
Wady:
- intensywne mieszanie: ryzyko uszk. mech.
- miejscowe depozyty materiału: przegrzewanie
Susz. fluid. wielostopniowe:
- różne parametry czynnika susz. w kolejnych sekcjach
- poprawa wykorzystania czynnika przez kilkakrotne kontaktowanie go ze złożem
Suszenie z aktywnym sorbentem:
Stopień 1:
nośnik – adsorbcja części wilg., ochr. przed sklejaniem cząstek i przywieraniem do ścian komory
Stopień 2:
suszenie
Suszarki fluid. ze złożem wibracyjnym
Zast. drgań przegrody do intensyfikacji procesu suszenia.
Poprawa struktury złoża.
Umożliwienie fluid. materiałów trudnofluidyzujących.
Susz. ze złożem fontannowym
Susz. ze złożem fontannowym mat. inert.:
Odparowanie z pow. kul o d=0,5-1cm. Usuwanie proszku z pow. w wyniku zderzeń. Oczyszczanie mech. ścian suszarki.
Suszenie bębnowe
Materiał w obrotowym bębnie pochylonym pod pewnym kątem. Przesuwanie się mat. stopniowo wzdłuż susz. Suszenie przeponowe lub bezprzep.
Jedna z pierwszych konstrukcji o działaniu ciągłym. Wszechstronność, prostota konstrukcji. Do materiałów swobodnie przesypujących się.
Susz. bębnowe-przep.
Ruch ciepła – przewodzenie i promieniowanie (właściwe suszenie kontaktowe). Przewodzenie przez ścianki lub wewnętrzne rury grzejne. Przesypywanie mat. w cienkiej warstwie. Rola pow. – usuwanie wilgoci.
Suszenie kontaktowe
Suszarki walcowe
Suszenie nałożonej uprzednio cienkiej warstwy roztw. lub zawiesiny na ogrzewanym walcu.
Usuwanie warstwy mat. wysusz. za pomocą skrobaka.
Do mat. termolabilnych , gdy dopuszczalny jest tylko krótki okres suszenia w wys. temp. Prod. wysusz. – postać proszku, często nie wymaga dalszego rozdrabniania.
Suszenie rozpyłowe
Przemiana surowca w postaci roztworu, zawiesiny lub pasty ze stanu ciekłego do formy suchej podczas jednej krótkiej i ciągłej operacji. Suszenie cieczy, zawiesin, emulsji i past.
I etap – rozpylanie
Główne funkcje urządzenia rozpylającego:
- wytw. dużej powierzchni w stosunku do masy cieczy
- wytw. drobnoziarnistego produktu o pożądanym kształcie i wielkości cząstek
Rozpylanie wpływa na wielkość kropel suszonego materiału.
Rozpylacze obrotowe:
Regulacja wielkości kropel – szybkość zasilania i prędkość obrotowa
Rozpylacze mechaniczne – regulacja wielkości kropel ciśnieniem.
Rozpylacze pneumatyczne (za pomocą sprężonego powietrza) – regulacja wielkości kropel – stosunek powietrze/ciecz.
Odparowanie
Chłodzący efekt odparowania – parująca woda pobiera z cząstek ciepło parowania (2500kJ/kg). Bardzo szybkie odparowanie. Temp. cząst. jest utrzymana na niskim poziomie. Minimalizacja degradacji termicznej.
Osiągnięty tą metodą prod. osiąga co najwyżej temp. pow. opuszczającego suszarkę. Ważne szczególnie w przypadku suszenia met. termolabilnych.
Zalety suszenia rozp.:
- umożlwiienie suszenia mat. płynnych w jednej operacji
Specyficzne warunki suszenia:
- mat. susz. bez kontaktu z gorącymi płaszczyznami
- krótki czas suszenia wynoszący kilka sek.
- temp. prod. niska nawet gdy temp. pow. wlotowego względnie wys.
Korzystne właściwości produktu
- wys. jakość materiału wysuszonego – trwały proszek wygodny i łatwy w dalszych operacjach, obrocie i transporcie.
- możliwość regulacji właściwości: wielkość cząstek, gęstości, wilgotności
- konieczność instalowania skomplikowanych i kosztownych urządzeń do rozpylania mat. i wyłapywania pyłów.
- stos. duże zapotrz. energii
- znaczne rozmiary instalacji
Nowoczesne tech. – suszenie dwustopniowe – szeregowe łączenie susz. rozp. z fluid. i wibrofluid. -> wyższa jakośc prod., wyższa sprawność urządzeń.
I stopień – susz. rozp.
Do zaw. wody około 10% zamiast 3-5%.
II stopień – susz. fluid.
Do zaw. wody 3-5%
Aglomeracja – właśc. „instant”
Chłodzenie
Wykład 4
Ekspandowanie polega na gwałtownym rozprężaniu uprzednio ogrzanego i będącego pod wysokim ciśnieniem materiału, w chwili momentalnego przejścia do ciśnienia atmosferycznego.
Eksp. prowadzone w sposób okresowy:
Armatka do rozpęczniania zawiera grubościenny cylinder, do którego wprowadza się uprzednio nawilżony sur. (ryż,) i po zamknięciu wprawia w ruch obrotowy wokół podłużnej osi oraz ogrzewa.
Zwiększająca się temp. i ciśnienie parującej wody powodują denaturację białka, kleikowanie skrobi i inne zmiany.
Armatka do rozpęczniania ziarna: (rys.)
Ekspandowanie prowadzone w sposób ciągły:
- materiał np. mąkę lub grys kukurydziany wprowadza się do wielokomorowego zaworu obrotowego i poddaje działaniu strumienia gorącejk pary o wsy. ciśnieniu
- uplastyczniony mat. przetłacza się przez dyszę, gdzie nagła red. ciśnienia powoduje rozprężenie pary wodnej i wzrost obj. mat.
- Ekspandowane prod. o porowatej strukturze są wyk. do wyrobów mięsnych, rybnych i in.
Ekstrudowanie – termoplastyczne wytłaczanie materiału, poddanego uprzednio obróbce mech.
Gł. el. robocze ekstrudera:
komora termiczno-ciśnieniowa ze ślimakiem, płaszczem parowym i doprowadzeniem wody.
Gł. el. funkcjonalne ekstrudera:
- jedn. napędowa z el. sterującymi
- korpus ekstruzyjny
- urządzenia tnące lub mieszające, które rozrywając mat. ekstrudowany powodują lepsze mieszanie oraz sprzyjają zamianie energii mech. w cieplną.
Schemat ekstrudera pojedynczego: (rys. – z materiałów ćwiczeniowych)
Strukturę i właściwości funkcjonalne prod. ekstrudowanych można regulować poprzez:
- dobór sur.
- zaw. wody
- pH
- ciśnienie
- temp. i czas przebywania w ekstruderze
- liczbę obrotów ślimaka
Wielkość ekspandowania obj. zal. od intensywności odparowania wody i właściwości upłynnionej skrobi.
Zalety ekstrudowania:
- wszechstronność – szer. wachlarz prod. , z których wiele nie może być wytw. w jakimkolwiek innym procesie
- koszt – wyciskanie ma niższe koszty przetw. oraz wyższą wyd. niż inne met. gotowania i formowania
- wyd. – wytłaczarki mogą działać w sposób ciągły o wys. przepustowości
- stała jak. prod.
- jak. prod. – gotowanie i wytłaczanie w ekstruderach wymaga wys. temp. – stos. przez krótki czas zachowuje wiele wrażliwych składników żywności
- przyjazne dla środ. – proc. przebiega przy niskiej wilgotności (10-40%) – obniżenie kosztów uzdatniania wody oraz poziomu zanieczyszczenia środ. (mało ścieków)
Ekstruder jednoślimakowy (do ekstruzji wilgotnej) – rys.
Ekstruder do wytłaczania płatków kukurydzianych – rys.
Ekstrudery jednoślimakowe
Proces ekstruzji następuje w wyniku działania temop. i ciśnienia, a nast. mieszania, uplastycznienia i sprężania oraz gwałtownego rozprężania (ekspandowanie).
- stos. prawie wyłącznie do prod. chrupek z kaszki/ mąki kukurydzianej w formie kuleczek, pałeczek, pierścieni, rurek, poduszeczek
- innych wyrobów z sur. mieszanych, łatwych do ekstruzji
Ekstrudery mają ślimaki o śr. 45-90mm i zainstalowaną moc elektryczną 14-60kW. Dł. ślimaków wynosi ok. 12 średnic.
Temp. uplastyczniania, po wstępnym podgrzaniu jest uzyskiwana samocznynnie i regulowana ukł. chłodzącym w granicach 120 stopni.
Parametry te pozwalają uzyskać wydajność 25-120 kg prod./h
Ekstrudery dwuślimakowe:
Zespół ślimaków tłoczących:
- skł. się z 2 ślimaków o zmiennych skokach zwojów lub zmiennych średnicach – pozwala to na uzyskiwanie wyższych ciśnień sprężąnia.
- ma szereg stref ogrz. i chłodzenia, co umożliwia dowolne zaprogramowanie procesu
- mogą być stos. do przetw. innych rodzajów mąki, np. żytniej, a także sur. białkowych (np. mieszanek mięsno-kostnych, kazeiny)
-forma prod. może być bardziej urozmaicona, w tym np. wstęgi o dowolnych wymiarach
Wyposażenie dodatkowe:
- mieszalniki do ujednorodnienia sur.
- dozowniki aromatów i polew
...
niundzia