Работы по деминерализации мелассы проводились на электродиализной установке типа Р1 ЕDR-Y (MEGA a.s.), оснащенной двумя пакетами мембран (50 пар в пакете + 1 катионообменная, площадь пакета 4,04 м2) и оборудованной кондуктометрами, датчиками рН, силы тока, напряжения. Это оснащение позволяет устанавливать и контролировать основные параметры работы установки в потоке. Оборудование периодического действия и работает по циркуляционной схеме.
Деминерализации подвергали образцы одинаковой массы:
– № 1 меласса, полученная при производстве молочного сахара на ОАО «Березовский сыродельный комбинат», без предварительной ультрафильтрации, содержание сухих веществ 23 %;
– № 2 меласса, полученная при производстве молочного сахара на ОАО «Березовский сыродельный комбинат», с предварительной ультрафильтрацией, содержание сухих веществ в УФ-фильтрате мелассы 18 % (начальное содержание сухих веществ 23 %);
– № 3 меласса, полученная при производстве молочного сахара на ГП «Молочный гостинец», с предварительной ультрафильтрацией, содержание сухих веществ в УФ-фильтрате мелассы 27 % (начальное содержание сухих веществ 34 %).
Процесс деминерализации осуществляли при температуре 10–15 °С и напряжении тока на пакете мембран 64 В – 1,2 В на пару мембран и 4 В на две электродные группы. Скорость потока дилуата и концентрата – 0,7 м3/ч. Электродиализ образцов проводили до достижения удельной электропроводности дилуата менее 1 мСм/см.
Вследствие перепада концентраций электролита по обе стороны мембраны на ее поверхности и в толще раствора возникает концентрационная поляризация [1, 2], в результате на мембранах образуется слой отложений (фоулинг-слой) [3]. При этом селективность электродиализных мембран, как катионитовых, так и анионитовых, ухудшается из-за увеличения концентрации электролита в одном из примембранных слоев. По этой причине выход по току снижается, повышая затраты на проведение процесса [1, 2].
В таблице приведены характеристики образования фоулинг-слоя на поверхности мембран в процессе электродиализа различных образцов мелассы.
На интенсивность концентрационной поляризации и степень (толщину) отложения фоулинг-слоя влияет вид мелассы: ее компонентный состав в качественном и количественном выражении. Предварительная ультрафильтрация мелассы способствует снижению отложения сухих веществ на поверхности мембраны (на 38 %) за счет удаления части белка (снижение на 33 %), который является основным компонентом, участвующим в образовании фоулинг-слоя. Кроме того, при электродиализе образца № 1 показатели отложения на мембранах приближены к аналогичным значениям для образца № 3 с изначально относительно высоким содержанием сухих веществ (34 %).
Для оценки эффективности электродиализного процесса обессоливания рассчитывали обменную производительность мембран (П) по минеральным веществам по формуле [2, 4]:
П = (МВн – МВк)•V/(S•τ), кг/(м2•ч), (1)
где МВн и МВк – начальная и конечная концентрация минеральных веществ в обрабатываемом сырье, кг/м3; V – объем продукта, м3; S – площадь мембран, м2; τ – продолжительность электродиализа, ч.
Значение обменной производительности мембран установки электродиализа по минеральным веществам – 8,47E- 06 кг/(м3•ч) для образца № 1 мелассы приближается к значению 9,04E-06 кг/(м3•ч) для образца № 3. Установлено, что предварительная ультрафильтрация мелассы способствует увеличению обменной производительности мембран по минеральным веществам. Значение данного показателя для образца № 2 составило 1,15E-05 кг/(м3•ч), на 24 % выше, чем для этого же вида мелассы, но без предварительной ультрафильтрации (образец № 1).
Об эффективности деминерализации сырья в процессе электродиализа можно также судить по динамике изменения удельной электропроводности дилуата, которая находится в прямой зависимости от содержания минеральных веществ, и непосредственно по изменению силы тока процесса (рис. 2).
Интенсивное снижение удельной электропроводности мелассы в начале электродиализа свидетельствует о снижении обменной производительности установки к окончанию деминерализации, а снижение силы тока в процессе электродиализа – о возрастании омического сопротивления (при неизменном напряжении) электродиализных ячеек и обессоливании продукта. Последующий плавный спад величины силы тока обусловлен истощением солевого состава обрабатываемого сырья. С уменьшением содержания анионов и катионов в дилуате снижается выход по току. Ультрафильтрация позволяет почти в 2,5–3 раза сократить длительность обработки до нужного уровня обессоливания. Причем выход на максимальный ток для очищенного продукта происходит гораздо быстрее. Кроме того, уменьшается критическое значение плотности тока, вследствие чего увеличивается продолжительность процесса и снижается производительность установки.
Важным эксплуатационным показателем процесса электродиализной очистки обрабатываемого сырья является удельный расход электроэнергии или, другими словами, расход электроэнергии (W), необходимый для достижения требуемой степени деминерализации единицы объема сырья, который рассчитывается по формуле [2, 4]:
W = IτU/Q, Вт•ч/кг, (2)
где I – сила тока, А; τ – продолжительность электродиализа, ч; U – напряжение, В; Q – масса обрабатываемого сырья, кг.
Зависимость удельного расхода электроэнергии от продолжительности электродиализной обработки образцов мелассы представлен на рис. 2.
Как видно из графиков, приведенных на рис. 1 и 2, предварительная ультрафильтрация способствует увеличению эффективности электродиализа мелассы: сокращается продолжительность процесса деминерализации. Кроме того, даже при предварительной ультрафильтрации мелассы, полученной на ГП «Молочный гостинец» (образец № 3), с изначально более высоким содержанием сухих веществ (34 %) показатели удельной электропроводности, силы тока и удельного расхода электроэнергии в процессе ее электродиализа превышают данные показатели для мелассы, полученной на ОАО «Березовский сыродельный комбинат» без ультрафильтрации (образец № 1).
Выполненные исследования позволяют сделать вывод о том, что при электродиализной обработке мелассы, полученной на ГП «Молочный гостинец» с относительно высоким содержанием сухих веществ (образец № 3), необходима ее предварительная ультрафильтрация для удаления части белковых составляющих с целью интенсификации процесса деминерализации. В случае электродиализа мелассы с содержанием сухих веществ 23 % (образец № 1) деминерализацию возможно проводить без предварительной ультрафильтрации для общего снижения энергетических и производственных затрат на получение готового продукта.
ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ И ИОНОВ МОЛОЧНОЙ КИСЛОТЫ В ПРОЦЕССЕ ЭЛЕКТРОДИАЛИЗА МЕЛАССЫ
На следующем этапе изучали характер изменения содержания минеральных веществ и ионов молочной кислоты в ходе электродиализа мелассы без предварительной ультрафильтрации, полученной при производстве молочного сахара на ОАО «Березовский сыродельный комбинат», с массовой долей сухих веществ 23 %, золы – 4,42 %, кислотностью 103 °Т, удельной электропроводностью 30,7 мСм/см.
Относительно высокая титруемая кислотность мелассы обусловливается прежде всего содержанием молочной кислоты, а также дигидрофосфатов и дигидроцитратов, протеинов – казеина и сывороточных белков, диоксида углерода, минорных кислот (лимонной, аскорбиновой и др.) и других компонентов [5]. Для повышения доброкачественности, снижения титруемой кислотности мелассы с возможностью ее дальнейшей беспрепятственной переработки на конечные продукты необходима очистка от минеральных веществ. В процессе электродиализа мелассы по мере увеличения сте- пени деминерализации снижаются массовая доля золы и титруемая кислотность (рис. 4), оба показателя хорошо коррелируют с общей степенью деминерализации.
На рис. 4 показана зависимость массовой доли отдельных ионов минеральных веществ и молочной кислоты в мелассе от степени ее деминерализации.
Подтверждено, что в общем случае снижение зольности и содержания минеральных веществ до степени деминерализации 80 % хорошо описывается линейными уравнениями регрессии.
При дальнейшем проведении обессоливания значимую роль начинают играть иные электрохимические процессы. Их изучение является отдельной задачей, решение которой позволит усовершенствовать процесс глубокой электродиализной обработки жидких пищевых сред.
Литература:
1. Синельников, Б.М. Лактоза и ее производные / Б.М.Синельников [и др.]; науч. ред. акад. РАСХН А.Г.Храмцов. – СПб.: Профессия, 2007. – 768 с.
2. Жилинский, В.В. Электрохимическая очистка сточных вод и водоподготовка: конспект лекций / В.В.Жилинский. – Минск: УО «Белорусский государственный технологический университет», 2013. – 191 с.
3. Электромембранные процессы [Электронный ресурс] / Российский химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева. … Режим доступа: http://www.membrane.msk.ru/ books. – Дата доступа: 04.07.2012.
4. Гаврилов, Г.Б. Исследование и разработка технологий функциональных компонентов и пищевых продуктов на основе переработки молочной сыворотки мембранными методами: автореф. дис. … д-ра техн. наук: 05.18.04 / Г.Б.Гаврилов. – Кемерово: ГУ «ЯГИЛМСП», ГОУ ВПО КемТИПП, 2006. – 41 с.
5. Горбатова, К.К. Физико-химические и биохимические основы производства молочных продуктов / К.К.Горбатова. – СПб.: ГИОРД, 2004. – 352 с.: ил.