PROCESY MEMBRANOWE

Współczesna technologia zna wiele metod oczyszczania

produktów,  jak  np.  chromatografię  wielkoskalową,  wytrącanie,
krystalizację,  wirowanie,  destylację,  sedymentację  i  inne.
Membranowe  techniki  rozdzielania  mieszanin  przez  długi  okres
czasu  traktowane  były  jako  pomocnicze  metody  separacyjne  w
skali laboratoryjnej. Ostatnie lata sprawiły, że możliwym stało się
stosowanie  technik  membranowych  na  dużą  skalę.  Związane  to
jest  z  rozwojem  chemii  tworzyw  sztucznych,  a  szczególnie
polimerów  syntetycznych,  z  których  zbudowana  jest  większość
wysoce przepuszczalnych i selektywnych membran.

W technologii żywności stosuje się z powodzeniem takie

odmiany technik membranowych jak: mikrofiltracja, ultrafiltracja,
odwrócona osmoza, elektrodializa, nanofiltracja. Korzyści
wynikające ze stosowania wyżej wymienionych metod to przede
wszystkim:

-możliwość  jednoczesnego  zagęszczania,  frakcjonowania  i
oczyszczania roztworów,
-redukcja  do  minimum  termicznej  degradacji  składników
żywności i mikroorganizmów,
-niskie zużycie energii,
-eliminacja  przemian  fazowych  rozdzielanych  składników
(jak np. przy destylacji),
-prosta, modułowa budowa urządzeń.

PODSTAWOWE POJĘCIA I PARAMETRY OPISUJĄCE
TECHNIKI MEMBRANOWE

Permeat - filtrat; roztwór przenikający przez membranę filtracyjną,
zawierający  rozpuszczalnik  wraz  z  cząstkami,  które  nie  zostały
zatrzymane na filtrze.

Retentat - roztwór zawierający zatrzymane na filtrze cząstki.

Polaryzacja stężeniowa  membrany  - zjawisko adsorpcji  drobin  na
powierzchni  membrany,  powodujące  zalepianie  się  por.  Pod
wpływem działającego na membranę ciśnienia, zatrzymane na niej
cząstki  akumulują  się  tworząc  warstwę  żelową  lub  tzw.  wtórną
membranę. Powoduje to spadek szybkości filtrowania.

Strumień objętości (flux rate)
Wyraża objętość otrzymanego permeatu na jednostkę powierzchni
filtra. W początkowym etapie filtracji, gdy filtr nie jest jeszcze
zapchany, przyjmuje wartość:











gdzie:



P - transmembranowa różnica ciśnień



- różnica ciśnień osmotycznych filtrowanego roztworu

i permeatu
R

- opór hydrauliczny warstwy żelu

- opór hydrauliczny membrany.

Ponieważ ciśnienie osmotyczne dla makromolekuł w

roztworze jest bardzo niskie i rośnie dopiero w przypadku
wysokiej koncentracji warstwy żelowej na membranie, to wzór ten
ma postać:







Gdy membrana ulega polaryzacji, tworzy się na niej warstwa

żelu, wówczas strumień objętości wyrażamy jako:



gdzie: K - współczynnik przenikania masy

- koncentracja warstwy żelu

- koncentracja filtrowanego roztworu.

Współczynnik  odrzucenia  (R)  -  wyraża  ilość  materiału,  który
przechodzi  przez  membranę  lub  jest  przez  nią  odrzucany.  Gdy  R
ma  wartość  równą  l,  to  100%  materiału  jest  odrzucane,  gdy
wartość ta wynosi 0, to membrana jest całkowicie przepuszczalna.
Wyraża to wzór:

)

ln(

)

ln(



gdzie: C

- końcowa koncentracja roztworu w retentacie,

- początkowa koncentracja roztworu,

- początkowa objętość roztworu,

- końcowa objętość retentatu.

Równanie to jest prawidłowe przy założeniu, że retentat jest

całkowicie homogenny, co jest jednak warunkiem trudnym do
osiągnięcia z powodu tworzącej się na membranie warstwy
żelowej.

Wartość współczynnika R jest funkcją tych wszystkich

czynników, które wpływają na polaryzację, jest też funkcją
molekularnej wielkości i kształtu rozdzielanych cząstek.

Punkt odcięcia (cut-off) - masa molekularna, przy której co

najmniej 90% cząstek globularnych o tej właśnie masie jest na
danym filtrze zatrzymywane.

W wielu przypadkach punkt odcięcia jest właśnie tą

wielkością, którą producent podaje na opakowaniu jako
różnicującą poszczególne filtry.

MODYFIKACJE PROCESÓW MEMBRANOWYCH

Przeciwdziałanie, zjawiskom powodującym zanieczyszczenia

membran  spowodowało  duży  postęp  w  dziedzinie  konfiguracji
modułów  membranowych,  materiałów  membran  i  optymalizacji
dynamiki  cieczy  w  sąsiedztwie  membrany.  Wydajność  procesów
membranowych znacznie się zwiększyła po opracowaniu systemu:
wykorzystującego  zasadę  równoległego  przepływu  zawiesiny  do
powierzchni  przegrody  (cross-flow).  Zasadę  filtracji  stycznej
opisuje rysunek:

Jednym z parametrów charakterystycznych dla filtracji

stycznej jest ciśnienie transmembranowe, które przyjmuje tu
wartość:

PTM









gdzie: P

- ciśnienie na wejściu,

- ciśnienie na wyjściu,

- ciśnienie filtratu.

Zaletą tego układu jest stosunkowo wolniejsze niż w typowej

filtracji zapychanie się membrany, a to dzięki temu, iż styczny
ruch cieczy nieustannie zmywa tworzącą się na powierzchni filtra
warstwę zanieczyszczeń.

Wydajność i efektywność procesów membranowych jest

dodatkowo  polepszana  poprzez  niewielkie  wymiary  przekrojów
przepływu  zawiesin  i  roztworów.  Zapewnia  to  burzliwy  ruch
cieczy  i  duże  siły  ścinające  na  powierzchni  membrany.  Znane  są
też  rozwiązania  konstrukcyjne  mikrofiltrów  z  wirującymi
powierzchniami  filtrującymi,  a  także  układy,  w  których  zachodzi
przepływ pulsacyjny lub też kierunek przepływu zawiesiny jest co
pewien  czas  odwracany  tak,  aby  zakłócić  ustalony  profil
polaryzacji stężeniowej i usunąć cząstki z powierzchni membrany.

RODZAJE FILTRÓW STOSOWANYCH W PROCESACH
MEMBRANOWYCH.

Filtry stosowane w procesach membranowych są zwykle

wykonane z materiałów ceramicznych lub syntetycznych
polimerów, takich jak polisulfon, teflon czy octan celulozy.

Materiały te nie są cytotoksyczne, ani też w żaden inny sposób nie
wpływają na filtrowany roztwór.

Ściany membran filtrów charakteryzują się anizotropową

strukturą,  tzn.  kanały  por  rozszerzają  się  od  powierzchni
membrany  w  głąb  jej  struktury.  Dzięki  temu  cząsteczki,  które  są
zatrzymywane  przez  daną  membranę,  zatrzymują  się  na  jej
powierzchni i nie zapychają światła kapilar w jej wnętrzu (rysunek
poniżej).

Stosowane są podstawowe typy filtrów:
-płaskie,
-spiralne,
-kapilarne.
-rurowe
Filtry płaskie (flat disk) stosuje się często w konfiguracji z

innymi rodzajami separatorów, np. wirowaniem komórek.

Filtry kapilarne zbudowane są z wiązki cienkich rurek

umieszczonych  w  cylindrycznym  pojemniku.  Ciecz  zawierająca
oddzielane  cząstki  przepływa  przez  kapilary,  gdzie  ulega
rozdzieleniu:  cząsteczki  małe  przenikają  przez  ściany  membrany
na  zewnątrz  do  przestrzeni  międzykapilarnej,  zaś  cząsteczki  duże
opuszczają kapilary.

Filtry spiralne zbudowane są z membran nawiniętych

spiralnie na cylindryczny przewód odbierający filtrat.

Wybór stosowanej membrany zależy od wielu czynników, np.

strumienia objętości przepływu, masy molekularnej odcinanych
cząstek, lepkości roztworu, stopnia adsorpcji białek, itp.

PODZIAŁ

CHARAKTERYSTYKA

PROCESÓW

MEMBRANOWYCH.

Podział procesów membranowych przedstawiony poniżej

opiera się na wielkości rozdzielanych w danej metodzie cząstek.
Za pomocą tradycyjnych metod separacji można rozdzielić cząstki
o wielkości nie mniejszej niż 2



m. Wszystkie mniejsze cząstki

mogą być wydzielane z roztworów za pomocą technik
membranowych. Wielkość rozdzielanych cząstek jest podstawą
przedstawionego poniżej podziału.

Mikrofiltracja (MF)

W mikrofiltracji używa się membran o porach rzędu 0,l-5



Za pomocą mikrofiltracji usuwa się z roztworu drobne zawiesiny,
komórki  bakteryjne,  niektóre  wirusy,  drobiny  surowców
roślinnych, cząstki tłuszczu w emulsjach (np. mleka). Wizualnym
efektem  tego  procesu  może  być  zmiana  barwy  filtratu,  obniżenie
się  mętności,  spadek  intensywności  rozpraszania  światła.
Głównym  zastosowaniem  mikrofiltracji  jest  więc  klaryfikacja
roztworów, wydzielanie biomas komórkowych, a także sterylizacja
pożywek (tzw. sterylizacja "na zimno").

Siłą napędową procesu mikrofiltracji jest różnica ciśnień

hydrostatycznych po obu stronach przegrody, rzędu 0,05-0,5MPa.
Mikrofiltrację prowadzi się często w układzie stycznym (filtracja
styczna, ang. "cross-flow", "tangential flow"), co w większej
mierze zapobiega odkładaniu się osadu na powierzchni membrany.

Ultrafiltracja (UF)

Membrany stosowane w ultrafiltracji mają pory rzędu 0,005-

0,1



m (5-100nm), a różnica ciśnień na membranie w tym procesie

wynosi 0,2-1,0 MPa.

Proces ultrafiltracji umożliwia jednoczesne frakcjonowanie i

zagęszczanie wybranych składników cieczy. Permeat po UF nie
zawiera już białek, polisacharydów, wirusów, niektórych

barwników, enzymów i witamin, natomiast pozostają w nim proste
cukry,  kwasy  organiczne,  zdysocjowane  jony  nieorganiczne  i
większość  produktów  degradacji  cieplnej.  Mętność  ultrafiltratu
całkowicie  zanika  i  nie  obserwuje  się  już  zjawiska  rozpraszania
światła.
Nanofiltracja (NF)

Nanofiltracja to proces, który obejmuje zakres separacji

substancji o wymiarach w granicach 0,001-0,005



m (l-5nm).

Zatrzymywane są tu aminokwasy, proste cukry, enzymy i niektóre
jony.  Frakcja  ta  zawiera  wiec  większość  substancji
pochłaniających  promieniowanie  ultrafioletowe  (cukry  i  produkty
ich  rozpadu),  substancje  odpowiedzialne  za  smak  i  zapach,
substancje zabarwiające. Permeat jest jasno zabarwiony, klarowny,
zawiera tylko niektóre sole i cząstki o małej masie cząsteczkowej
(np. alkohole).

Sposób separacji składników w procesie NF jest połączeniem

przepływu kapilarnego, typowego dla MF i UF, z mechanizmem
rozpuszczająco-dyfuzyjnym, charakterystycznym dla odwróconej
osmozy (RO). Membrany nanofiltracyjne posiadają różne zakresy
selektywności,

począwszy

przegród

wysokiej

nieprzepuszczalności dla NaCl, poprzez membrany wybiórczo
zatrzymujące niektóre jony, do takich, które zatrzymują cząsteczki
kwasów.

Odwrócona osmoza (RO)

Proces ten przebiega na membranach o średnicy por 0,0001-

0,001



m (0,1-1,0nm). Przez taką przegrodę przenika wyłącznie

rozpuszczalnik, tak więc RO może być uważana bardziej za proces
zagęszczania  niż  separacji.  Przepływ  rozpuszczalnika  następuje
przeciwnie do ciśnienia osmotycznego, toteż aby proces RO mógł
zajść musi być wytworzona duża różnica ciśnień po obu stronach
membrany,  rzędu  1-10MPa.  Mechanizm  selektywnego  działania
membran  RO  tłumaczy  się  modelem  rozpuszczająco-dyfuzyjnym,
gdzie  znaczenie  ma  powinowactwo  membrany  i  składników
roztworu  oraz  szybkość  ich  transportu  w  membranie.  Składniki  o
większym  powinowactwie  do  materiału  membrany,  rozpuszczają
się  w  niej  łatwiej  od  innych  składników,  a  membrana  spełnia

funkcję  fazy  ekstrakcyjnej.  W  dalszym  etapie  procesu  zachodzi
transport  składników  w  membranie  na  zasadzie  dyfuzji
molekularnej,  zaś  różnice  w  dyfuzyjności  danego  składnika
decydują o przepuszczalności membrany. Selektywność  membran
RO jest więc połączonym efektem rozpuszczalności i dyfuzyjności
składników zagęszczanego roztworu.

Membrany stosowane w RO mają strukturę niesymetryczną, z

warstewką  selektywną  o  submikronowej  grubości,  wykonaną
najczęściej  z  octanu  i  innych  estrów  celulozy  oraz  z  poliamidów,
naniesioną  na  drugą,  grubszą  warstwę  podporową  o  większej
porowatości.

Proces RO stosuje się od wielu lat na dużą skalę do

otrzymywania wody pitnej z wód morskich i wód zasolonych oraz
do uzdatniania wody w przemyśle farmaceutycznym i
elektronicznym.

Perwaporacja (PV)

Perwaporacja pozwala na rozdzielenie ciekłej mieszaniny

z częściowym jej odparowaniem - permeat występuje w postaci
pary.

Membrany stosowane w PV mają porowatość podobną jak w

RO,  a  transport  masy  zachodzi  na  zasadzie  mechanizmu
sorpcyjno-dyfuzyjnego.  Tak  więc  po  jednej  stronie  membrany
następuje  adsorpcja  i  rozpuszczanie  się  składników  danego
roztworu,  następnie  rozpuszczone  cząsteczki  dyfundują  w
membranie  i  z  jej  drugiej  strony  ulegają  desorpcji
("odparowaniu").

Efekt rozdzielania składników roztworu wynika, podobnie jak

w RO, z różnic sorpcji i rozpuszczalności w membranie. Różnice
te są natomiast efektem specyficzności oddziaływań układu
membrana-ciecz lub też wynikiem uprzywilejowanej sorpcji
cząstek o mniejszym rozmiarze.

Praktyczne zastosowanie procesu perwaporacji zmierza do

zastąpienia tym procesem konwencjonalnej destylacji.

Elektrodializa (ED)

Elektrodializa to

proces

membranowego

rozdzielania

roztworów ciekłych, których składniki jonowe (sole, kwasy,

zasady)  przenikają  przez  membrany  pod  wpływem  różnicy
potencjałów  zewnętrznego  pola  elektrycznego.  W  procesie  tym
membrany  są  jonowymienne,  mają  albo  ładunek  dodatni
(przepuszczalne  dla  anionów  -  anionity),  albo  ładunek  ujemny
(przepuszczalne  dla  kationów  -  kationity).  Kationity  wytwarzane
są  poprzez  fizyczne  lub  chemiczne  unieruchomienie  w  cienkich
foliach  wykonanych  z  polimerów,  grup  sulfonowych  o
właściwościach  silnie  kwaśnych  lub  grup  karboksylowych  o
właściwościach  słabo  kwaśnych.  Anionity  natomiast  mają
unieruchomione  grupy  amoniowe,  silnie  zasadowe  lub  słabo
zasadowe  grupy  aminowe  czy  też  fenolowe.  W  ostatnich  latach
opracowano

już

membranę

dwupolarną,

umożliwiającą

elektrodializę w pojedynczej membranie.

Proces ED ma zastosowanie do odsalania wody morskiej oraz

uzdatniania wody technologicznej, a także do innych procesów
demineralizacji.

Omówione wyżej procesy membranowe przedstawiono na

schemacie, uwzględniając wymiarowe spektrum różnych
substancji występujących w ciekłych artykułach żywnościowych.

KONSERWACJA MEMBRAN

 Ocena skuteczności czyszczenia (mycia) membrany – odtworzenie

przepuszczalności membrany dla wody destylowanej w danej

temperaturze i dla danego ciśnienia transmembranowego

 Prędkość przepływu stycznego podczas czyszczenia powinna być

równa lub większa niż prędkość podczas filtracji

 Zalecane stężenie środka myjącego powinno usuwać dany rodzaj

zanieczyszczenia w ciągu 30 –60 minut

 Wpływ temperatury na mycie (wzrost temperatury obniża siłę

wiązań zanieczyszczeń do powierzchni membrany, zwiększa

rozpuszczalność

słabo

rozpuszczalnych

zanieczyszczeń,

zwiększa reaktywność środków myjących, których mechanizm

działania opiera się na hydrolizie czy utlenianiu); w zakresie

temperatur od 30 do 700C, wzrost temperatury o 200C w

przybliżeniu zwiększy tempo czyszczenia dwukrotnie



Woda używana do czyszczenia i płukania powinna być wysokiej

jakości (odkładanie się na membranie zanieczyszczeń zawartych w

wodzie; możliwość tworzenia się zanieczyszczeń, w wyniku

reakcji składników zawartych w wodzie ( np. związki Mn i Fe) ze

środkami myjącymi)

ZASTOSOWAJNIE

PROCESÓW

SEPARACJI

MEMBRANOWEJ W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

Procesy membranowe są w technologii żywności bardzo

atrakcyjną alternatywą do tradycyjnie stosowanych metod
separacyjnych, a to ze względu na niedestrukcyjne oddziaływanie
na produkt i niskie zużycie energii.

W tabeli zestawiono przykłady zastosowania procesów

membranowych w różnych działaniach towarzyszących produkcji
żywności.

Zastosowanie

Produkt

Proces membranowy

"Zimna" sterylizacja

Piwo, wino, mleko, moszcze,

pożywki fermentacyjne

Klarowanie

Piwo, wino, soki owocowe

MF,UF

Zagęszczanie

Białka, soki owocowe, kawa,

barwniki, enzymy

UF,RO

Usuwanie alkoholu

Piwo, wino

RO,PV

Frakcjonowanie

Białka, węglowodany, produkty

biotechnologii

UF,RO

Odzysk produktu

Kwas mlekowy, kwas cytrynowy,

ocet, alkohol etylowy

UF, ED, PV

Poprawa jakości

produktu

Substancje smakowo-zapachowe

RO,PV

Odsalanie,

demineralizacja

Woda, serwatka

RO, NF, ED

Przemysł mleczarski

Pierwsze zastosowania procesów ultrafiltracji w mleczarstwie

dotyczyły  utylizacji  serwatki.  Serwatkę  najpierw  poddawano
procesowi UF, w którym oddzielano frakcję białkową, a następnie
RO,  otrzymując  zagęszczony  roztwór  laktozy  oraz  permeat
o  niskim  BZT.  Korzyści  wynikające  zatem  ze  stosowania
procesów  membranowych  w  tym  przypadku  polegają  na
możliwości  otrzymywania  30-80%  koncentratów  białkowych
pozbawionych  laktozy,  zagęszczonego  do  około  25%  roztworu
laktozy, a przy tym powstający ściek ma niskie BZT.

Stosując dalej odpowiednio dobrane membrany, białka można

jeszcze rozdzielić na



-laktoalbuminę i



-laktoglobulinę,

laktoferynę, laktoperoksydazę i glikomakropeptyd.

Frakcjonowanie białek serwatkowych w procesie ultrafiltracji

W serowarstwie powszechną praktyką jest wstępne

zagęszczanie mleka przy użyciu UF, poprzedzające koagulację.
Poprzez to wartość odżywcza sera jest wyższa dzięki wzbogaceniu
go w białka, witaminy i niektóre substancje mineralne, tracone w
serwatce w tradycyjnym procesie.

Ważną zaletą technik membranowych jest możliwość

"zimnej"  sterylizacji.  Mleko  poddawane  procesowi  MF  jest
mikrobiologicznie  czyste  i  nie  jest  wówczas  wymagana  typowa
pasteryzacja. Pojawiają się jednak doniesienia mówiące o tym, że
przy  stosowaniu  membran,  które  pozwalają  na  zachowanie  przez
mleko  wszystkich  jego  białkowych  składników,  w  permeacie
zostaje część drobnoustrojów.

Przemysł owocowo-warzywny

W przemyśle tym procesy membranowe stosuje się do

klarowania i zagęszczania soków, moszczów oraz wina, do
wydzielania substancji aromatycznych z ekstraktów owocowych,
do zagęszczania barwników roślinnych oraz do usuwania alkoholu
z wina.

Dzięki technologiom membranowym można wyeliminować

tak uciążliwe procesy jak filtracja przy użyciu ziemi okrzemkowej,
bentonitu, zolu krzemionkowego i żelatyny. Jednocześnie, stosując
instalacje membranowe, mniejsza jest powierzchnia produkcyjna,
mniejsze jest zużycie energii, materiałów filtracyjnych czy też
preparatów enzymatycznych.

Połączone systemy UF i RO stosowane do odzyskiwania

substancji aromatycznych zawartych w skórkach owoców
cytrusowych, w dużej mierze wpływają na lepszą jakość produktu i
wydajność procesu.

Ultrafiltrację stosuje się też do pozyskiwania i zagęszczania

naturalnych  barwników  roślinnych  takich  jak  antocyjany  i
betanina.  Zawartość  tych  składników  w  roztworach  wodnych  jest
bardzo niska (ok. 0,1%), a w przewadze występują pektyny, białka
i  cukry.  W  tradycyjnym  procesie  sok  lub  ekstrakt  jest  filtrowany,
zagęszczany  na  wyparkach  i  suszony  rozpyłowo.  Natomiast  już
jednokrotna

ultrafiltracja

pozwala dwukrotnie zwiększyć

zawartość barwników w suchej masie.

W produkcji winiarskiej zastosowanie mikrofiltracji i

ultrafiltracji  moszczów  lub  gotowego  wina  zapewnia  z  jednej
strony  usunięcie  niepożądanej  mikroflory,  zaś  z  drugiej
pozbawienie  wina  związków  powodujących  jego  mętność.  W  ten
sposób  eliminuje  się  z  procesu  produkcyjnego  uciążliwe  etapy
filtracji  z  użyciem  środków  klarujących  oraz  siarkowanie  jako
czynnik  niszczący  mikroflorę.  Z  kolei  użycie  membran  RO
umożliwia częściowe lub całkowite usunięcie alkoholu z wina lub
też  jego  zagęszczenie.  Otrzymuje  się  produkt  o  bardziej
intensywnej barwie i zwiększonej zawartości alkoholu.

Biotechnologia

Biotechnologia, jako bardzo szeroka dziedzina, stwarza też

bardzo  szerokie  możliwości  stosowania  technik  membranowych.
Począwszy  od  "zimnej"  sterylizacji  pożywek  przy  użyciu
mikrofiltracji, moduły  membranowe są zastosowane w reaktorach
z recyrkulacją komórek i ciągłym odbieraniem produktów oraz do
separacji i zagęszczania produktów fermentacji.

Na rysunku przedstawiono schemat tradycyjnego bioreaktora

z dołączonym modułem membranowym i możliwością recyrkulacji
komórek.

Fermentor z recyrkulacją komórek

Taki układ umożliwia ciągłość pracy fermentora, gdyż

produkty  procesu  są  w  kontrolowany  sposób  odprowadzane  i  ich
wzrastająca  koncentracja  nie  inhibuje  przebiegu  prowadzonej
reakcji.  Dodatkowo  też  następuje  ciągłe  zawracanie  komórek  do
reaktora, co zwiększa ich stężenie i powoduje tym samym wzrost
wydajności procesu.

Według podanego wyżej schematu przeprowadza się

produkcję etanolu z surowców skrobiowych i serwatki, a także
kwasu mlekowego, octowego i propionowego.

Selektywne przegrody o różnych konfiguracjach, z

unieruchomionymi  komórkami  lub  enzymami,  służą  do  budowy
fermentorów  nazywanych  reaktorami  membranowymi.  Reaktory
takie  mogą  być  stosowane  do  prowadzenia  fermentacji
alkoholowej, mlekowej, octowej oraz do enzymatycznej hydrolizy
sacharozy.

W fermentacji alkoholowej aplikację zyskuje proces

perwaporacji. Etanol odprowadzany w ten sposób z cieczy
fermentacyjnej ma stężenie ok. 40%, a koszt jego produkcji jest o
29% niższy od produkowanego tradycyjnie.

Fermentacja alkoholowa z recyrkulacją komórek i ciągłym

usuwaniem etanolu za pomocą perwaporacji.

Przy użyciu PV można też odprowadzać z cieczy

fermentacyjnej substancje zapachowe.

Opracowana w ostatnich latach membrana dwupolarna,

stosowana w elektrodializie, pozwala na otrzymywanie kwasu
mlekowego bez konieczności jego oczyszczania, co jest wymagane
w tradycyjnych metodach.

Inne zastosowania procesów membranowych

Techniki membranowe, przede wszystkim ultrafiltrację,

stosuje się do zagęszczania białka jaja kurzego. Proces ten stosuje
się też do odsalania białka jaja. Pozyskane w ten sposób czyste
białko nie różni się wskaźnikami jakościowymi od białka
natywnego.

Ultrafiltrację stosuje się też w produkcji koncentratów

białkowych z roślin oleistych. Dzięki technice membranowej,
można

usunąć

ekstraktu

białkowego

niepożądane

niskocząsteczkowe składniki (przede wszystkim fenole),
odpowiedzialne za nieprzyjemny zapach.

Przemysł spożywczy stosuje też w niektórych przypadkach

techniki membranowe na rzecz ochrony środowiska. Znane są
przykłady poddawania procesowi MF solanek peklujących, w celu
ich wielokrotnego użycia, a także przykłady membranowego
oczyszczania wód odpadowych.

CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest:

1. Zapoznanie się z możliwościami separacyjnymi różnych technik
membranowych,  fizycznymi  zasadami  rozdziału  w  aparatach
membranowych  oraz  podstawowymi,  negatywnymi  zjawiskami
towarzyszącymi filtracji z użyciem membran.

2.  Zapoznanie  się  z  podstawowymi  typami  aparatów  do
prowadzenia  filtracji  membranowej,  a  w  szczególności  z
mikrofiltrami  i  modułami  do  ultrafiltracji  o  różnej  budowie
(płytowy, rurowy, "hollow fiber") i zasadami ich obsługi.

3.  Wykonanie  doświadczenia  -  mikrofiltracja  i  ultrafiltracja
wybranej cieczy spożywczej.

Doświadczenie zostanie wykonane na modułach do

mikrofiltracji i ultrafiltracji firmy Millipore. Typy stosowanych
modułów: MF – ceramiczny moduł rurowy

UF - moduły płaskie Pellicon XL
Rozdzielczość stosowanych membran: MF - 0,45pm
UF -100 000 Da

30 000 Da
10 000 Da

Rodzaj cieczy: serwatka
Przebieg ćwiczenia:

-wykonanie mikro- i ultrafiltracji przy jednoczesnym

pomiarze strumienia objętości filtratu (sporządzić wykres
zależności strumienia filtratu od czasu filtracji),

-ocena

efektywności filtracji poprzez pomiar ilości

pozostałego w permeacie i retentacie białka (spektrofotometr



=280 nm),

-przygotowanie środków czyszczących i mycie modułów MF i UF;

moduł

MF- woda destylowana (płukanie) i NaOH (10g/litr)

moduły UF- woda destylowana, NaOH (4g/litr), H

(0,1 N) –

nie przekraczać ciśnienia 30 psi podczas mycia membran Pellicon.

WYBRANE POZYCJE LITERATUROWE

Anonim (1988): Ultrafiltracja w technologii żywności. Przem. ferm. i owoc-

warzyw., 5-6: 16.

Belfort G. (1989): Membranes and bioreactors: A technical challenge in

biotechnology. Biotechnol. Bioeng, 33:1048.

Brown D.E., Kavanagh P.R. (1987): Cross-flow separation of cells. Process

Biochem., 22(4): 96.

Cheryan M. (1986): Ultrafiltration handbook. Lancaster, PA Technomics

Publ. Co.

Chmiel H., Gudernatsch W., Howaldt M. (1988): Integrated downstream

processing with membranes. Chem. Biochem. Eng., Q2, 4:184.

Cuperus F.P., Nijhuis H.H. (1993): Application of membranes technology

to food processing. TFST, 4(9):277.

Gallman P.U. (1990): Membrane technology, a challenge for the dairy

industry. Lebensm. Technologie, 23:71.

Hoffmann H., Scheper T., Schugerl K., Schmidt W. (1987): Use of
membranes to improve bioreactor performance. Chem. Engng. J., 34:313.
Honer C. (1990): Expanding membrane technology. Dairy Foods, 91:71.
Lefebvre M.S. (1986): Membrane technology and food industry. ASEAN

Food Journ.,2(2):51

Mehaia M.A., Cheryan M. (1984): Ethanol production in a hollow-fibre

bioreactor using Saccharomyces cerevisiae. Appl.
Microb.Biotechnol., 20:100.

Moulder M.H.V. (1991): Basic Principles of Membrane Technology.

Amsterdam. Kluwer Academic.

Oelsen N., Jensen F. (1989): Microfiltration. The influence of operation

parameters in the process. Milchwissenschaft, 44 (8): 476.

Paulson D. J., Wilson R. L., Spatz D.D. (1984): Crossflow membrane

technology and its applications. Food Technol. 38 (12): 77.

Philip T. (1984): Purification and concentration of natural colorants by

membranes. Food Techn., 38 (12): 107.

Rautenbach R., Albrecht R. (1989): Membrane Processes. Chichester. J.

Wiley.

Sourirajan S. (1970): Reverse Osmosis. New York Academic Press.

Wroński S., Rudniak L. (1990): Filtracja dynamiczna w
biotechnologii. Biotechnologia 4 (10): 12.