ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАТНООСМОТИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РАСТВОРОВ ПРОИЗВОДСТВКУКУРУЗНОГО КРАХМАЛА
Авторы:
1.
ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет»
2.
ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет»
Тип:
Статья
Страницы:
с 110
по 115
Статус:
Опубликован
Получено:
30.12.2016
Одобрено:
30.12.2016
Опубликовано:
30.12.2016
Классификаторы:
УДК 66.081.63
УДК 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
УДК 60 Прикладные науки. Общие вопросы
УДК 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
УДК 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
Кукурузный крахмал, себестоимость, мембрана, обратный осмос
Аннотация (русский):
Процессы мембранного разделения растворов применяются в крахмальной промышленности для концентрирования крахмального молочка и очистки стоков, исходным сырьем для которых является картофель, принципиальное отличие заключается в разделении технологического раствора, сырьем для которого является кукуруза. Мембранный аппарат позволяет эффективно разделять технологические растворы крахмало-паточного производства. Исследованы такие показатели, как гидродинамическая проницаемость и коэффициент задержания через мембраны МГА-100 и ОПМ-К при разделении технологических растворов производства кукурузного крахмала на ОАО Хоботовское предприятие«Крахмалопродукт». Для полупроницаемых мембран МГА-100 и ОПМ-К представлены графические зависимости коэффициента гидродинамической проницаемости и коэффициента задержания от концентрации вещества в исходном технологическом растворе крахмало-паточного производства. Показано, что в процессе обратного осмоса при одинаковых условиях проведения экспериментов (температура, давление, рабочая площадь мембран и т.д.) наибольшей гидродинамической проницаемостью обладает мембрана типа ОПМ-К. Полученные данные по разделению технологических растворов производства кукурузного крахмала на мембранах МГА-100 и ОПМ-К позволяют сделать вывод о том, что с помощью метода обратного осмоса можно перейти на замкнутый технологический процесс, при котором только для промывания крахмала используется чистая вода, во всех других операциях применяется возвратная вода. Очистка растворов крахмало-паточных производств позволит использовать минимальное количество воды на ведение технологических процессов. Как следствие, затраты, составляющие значительную долю в себестоимости кукурузного крахмала, будут снижены.
Процессы мембранного разделения растворов применяются в крахмальной промышленности для концентрирования крахмального молочка и очистки стоков, исходным сырьем для которых является картофель, принципиальное отличие заключается в разделении технологического раствора, сырьем для которого является кукуруза. Мембранный аппарат позволяет эффективно разделять технологические растворы крахмало-паточного производства. Исследованы такие показатели, как гидродинамическая проницаемость и коэффициент задержания через мембраны МГА-100 и ОПМ-К при разделении технологических растворов производства кукурузного крахмала на ОАО Хоботовское предприятие«Крахмалопродукт». Для полупроницаемых мембран МГА-100 и ОПМ-К представлены графические зависимости коэффициента гидродинамической проницаемости и коэффициента задержания от концентрации вещества в исходном технологическом растворе крахмало-паточного производства. Показано, что в процессе обратного осмоса при одинаковых условиях проведения экспериментов (температура, давление, рабочая площадь мембран и т.д.) наибольшей гидродинамической проницаемостью обладает мембрана типа ОПМ-К. Полученные данные по разделению технологических растворов производства кукурузного крахмала на мембранах МГА-100 и ОПМ-К позволяют сделать вывод о том, что с помощью метода обратного осмоса можно перейти на замкнутый технологический процесс, при котором только для промывания крахмала используется чистая вода, во всех других операциях применяется возвратная вода. Очистка растворов крахмало-паточных производств позволит использовать минимальное количество воды на ведение технологических процессов. Как следствие, затраты, составляющие значительную долю в себестоимости кукурузного крахмала, будут снижены.
Ключевые слова:
Кукурузный крахмал, себестоимость, мембрана, обратный осмос
Кукурузный крахмал, себестоимость, мембрана, обратный осмос
Введение Производство крахмалопродуктов и крахмала в мире постоянно увеличивается и занимает одно из ключевых позиций в экономике промышленно развитых стран. В последние десятилетия это связано как с быстрым ростом производства модифициро- ванных крахмалов, сахаристых продуктов из крах- мала, так и с организацией производства на основе крахмала биоразрушаемых полимерных мате- риалов. На стоимость крахмала значительно влияет сто- имость сырья и затраты на обработку по всем со- ставляющим технологического процесса производ- ства. Основными операциями технологического про- цесса крахмального производства являются: зама- чивание зерна кукурузы, выделение, промывание зародыша, а также мезги, далее выделение и кон- центрирование глютена и, наконец, промывание крахмала, все эти операции связаны с удалением жидкости. Следовательно, значительную долю в себестоимости кукурузного крахмала составляют затраты, связанные с расходом воды. При производстве кукурузного крахмала и со- путствующих ему продуктов могут быть использо- ваны две схемы водоснабжения - незамкнутая и замкнутая. В первой из них, незамкнутой, при замачивании зерен и промывании зародышей, мезги и крахмала используется чистая вода. В случае ис- пользования замкнутого технологического процес- са свежая вода используется только при промыва- нии крахмала, в остальных операциях используется возвратная осветленная глютеновая вода, получае- мая при концентрировании и обезвоживании глютена. Глютеновая вода, которая образуется в процессе разделения на сепараторах крахмало-белковой сус- пензии, при незамкнутом технологическом процес- се из-за большого содержания взвешенных веществ не может быть использована для оборотного водо- пользования, поэтому сливается в канализацию. Такие расходы экономически нецелесообразны и составляют значительную часть в себестоимости готовой продукции. Применение для концентрирования растворов и сточных вод крахмальных производств мембран- ных методов, например таких, как ультрафильтрация, является оправданной мерой, так как энергия в основном расходуется на разрыв межмолекулярных связей, отсутствует фазовый переход и т.д. [1, 2]. В работе [3] представлены экспериментальные данные по возможности проведения очистки и кон- центрирования разбавленного раствора сока карто- феля на ультрафильтрационных и нанофильтрационных мембранах, уточнены основные параметры, при которых проводится мембранное разделение. В источнике [4] приведены результаты ультра- фильтрационных исследований на керамических трубчатых мембранах фирмы Inopor GmbH по обработке картофельного сока и приведены экспериментальные данные по оптимизации данного про- цесса. Полученные в работе [4] экспериментальные данные были математически обработаны и легли в основу обобщенных уравнений, позволяющих с достаточно высокой достоверностью определять удельный поток и содержание сухих веществ в пермеате в зависимости от влияния на процесс уль- трафильтрации картофельного сока различных факторов воздействия. Таким образом, полученные авторами работы уравнения позволяют оптимизи- ровать процесс ультрафильтрации с целью получе- ния приемлемой производительности и минималь- ного содержания сухих веществ в пермеате. В материалах статьи [5] показано, что разделе- ние ультрафильтрата картофельного сока обратным осмосом при использовании элементов ЭРО-КНИ позволяет сконцентрировать раствор до 98 % по сухому веществу. Стоит отметить, что в получен- ном после данной обработки пермеате на данном модуле содержится всего 0,05 % сухих веществ. В этой же работе сделано предположение, что такой пермеат может использоваться для мойки картофе- ля, а концентраты (ретентаты) после ультрафиль- трационного и обратноосмотического концентри- рования добавлять в мезгу и использовать на корм скоту. В литературе [6] представлена конструкция мембранного аппарата со вставкой из несущего стрежня с несколькими коническими элементами, в котором происходят гидродинамические изме- нения, приводящие к снижению толщины при- мембранного слоя задерживаемых веществ. В ра- боте [6] отмечено, что экспериментальная провер- ка мембранного аппарата при концентрировании крахмального молока дала хорошие результаты, которые свидетельствуют о применимости вы- бранной конструкции на производстве. Проведен- ная авторами статистическая обработка результа- тов экспериментальных зависимостей с построе- нием регрессионной модели позволила выбрать оптимальные параметры режима функционирова- ния баромембранного аппарата: Т = 45 °С, Р = 0,25 МПа, при которых достигается максимальная ного крахмала, представленного в настоящей работе. Целью работы явилось исследование процесса обратноосмотического разделения технологических растворов крахмало-паточного производства как эффективного способа снижения себестоимости кукурузного крахмала. Объекты и методы исследований В качестве объектов исследования выступали: технологические растворы крахмало- паточного производства, исходным сырьем для которых выступала кукуруза; промышленно выпускаемые полупроницаемые обратноосмотические мембраны серии ОПМ-К и МГА-100. Выбор мембран обусловлен тем, что они стабильно выпускаются на промышленных производ- ствах (ЗАО НТЦ «Владипор» и компании MEM- BRANIUM (АО «РМ НАНОТЕХ»), г. Владимир), обеспечивают комплектацию их в рулонных филь- трующих элементах, обеспечивающих высокую производительность на единицу объема аппарата, а также нетоксичны, безопасны в работе, имеют хо- рошую задерживающую способность [7]. Снижение себестоимости кукурузного крахмала допустимо за счет уменьшения расхода воды при использовании рециркуляции промывочной жидкости, которая позволяет исключить сбросы технологических вод. В настоящее время задачу подготовки жидкости бытового и технического назначения можно ре- шить с помощью внедрения эффективных и эконо- мичных способов очистки растворов. Одним из таких способов являются мембранные технологии. В работе экспериментальные исследования бы- ли направлены на очистку и регенерацию техноло- гических растворов ОАО Хоботовское предприятие «Крахмалопродукт». Исследования по определению удельной произ- водительности и коэффициента задержания иссле- дуемых мембран проводились с использованием экспериментальной установки, схема которой представлена на рис. 1, основным ее элементом являлся плоскокамерный мембранный аппарат, оснащенный обратноосмотическими мембранами, рис. 2. производительность, равная 490∙10-6 м3/(м2 с). В рабо- те также отмечено, что проведено сравнение экспе- риментальных исследований разработанной авторами новой конструкции баромембранного аппарата и ис- пользуемого ранее прототипа и представлен вывод о 4 5 Вр3 1 Вр4 11 10 Вр7 8 9 том, что использование вставок в баромембранном аппарате позволяет увеличить производительность процесса по пермеату в 1,6 раза. В литературных источниках имеются данные по разделению растворов, содержащих крахмал, высо- коэффективными методами разделения с примене- Вр1 2 Вр2 3 7 Вр5 6 Вр6 нием мембран, как было отмечено выше [1-6], но в качестве исходного сырья в данных работах высту- пает картофельный крахмал в отличие от кукуруз- Рис. 1. Схема обратноосмотической установки плоскокамерного типа При разделении технологического раствора, со- держащего крахмал, установка работала следую- щим образом: технологический раствор из емкости исходного раствора 1 при помощи насоса дозатора 2 нагнетался в гидроаккумулятор 3, далее он попа- дал в плоскокамерный мембранный аппарат 8. Тех- нологический раствор, содержащий крахмал, вы- шедший из плоскокамерного обратноосмотическо- го аппарата 8 в виде ретентата, проходил через дроссели 10 и ротаметры 11 и возвращался обратно в емкость исходного раствора 1. Для снижения влияния пульсаций давления обратноосмотическая установка оснащалась гидроаккумулятором 3 с установленным в специальном штуцере маномет- ром 5. Гидроаккумулятор 3 заполнялся сжатым воздухом от 30 до 40 % от рабочего давления при помощи воздушно-поршневого компрессора 4, что визуально фиксировалось показаниями манометра 5. Контроль давления при разделении обратным осмосом технологического раствора, содержащего крахмал, в экспериментальной установке произво- дился образцовым манометром 6, а для автоматиче- ского регулирования подачи раствора конструкция установки была оснащена электроконтактным ма- нометром 7, который при помощи реле отключал насос дозатора 2 при превышении давления в уста- новке выше рабочего. Пермеат, прошедший сквозь поры мембраны и выходящий из плоскокамерного обратноосмотического аппарата 8, отводился само- теком в емкости пермеата 9. А 4 1 16 5 4 5 6 6 7 7 17 9 9 дочной прямоугольной поверхности типа «выступ» «впадина» через прокладку 14, опирающуюся на мембрану 10 при затягивании шпилек 5 с шайбами 6 и гайками 7. На внутренней стороне крышек 2 имеется прямоугольная посадочная поверхность под дренажные сетки 13 и поверхность большей прямоугольной формы под металлическую под- ложку 12, которая последовательно прижимает ватман 11 к мембране 10. Камера корпуса 1, крышки 2, патрубки ввода и вывода исходного раствора 3 и ретентата 4 соот- ветственно, штуцера 8 изготовлены из нержавею- щей стали Х18Н10Т. Плоскокамерный мембранный аппарат для раз- деления технологических растворов производства крахмала функционирует следующим образом: раствор подается через патрубок ввода исходного раствора 3 и по цилиндрическим каналам ввода исход- ного раствора 15 поступает между мембраной 10 и камерой корпуса 1, равномерно распределяется по всей площади плоского канала, затем отводится через цилиндрический канал вывода ретентата 16 и патрубок вывода ретентата 4. Некоторая часть рас- твора под действием давления проникает через мембрану 10, ватман 11, металлическую подложку 12, дренажную сетку 13 и по каналам 17 штуцеров 8 на крышках 2 отводится из аппарата. Толщина паронитовой прокладки выбиралась в диапазоне (0,53)10-3 м. Рабочая площадь мембран равнялась 0,0078 м2, скорость раствора составляла 0,25 м/с, давление 4 МПа, время эксперимента 3600 с. В процессе экс- периментов следили за температурой и давлением, измеряли производительность, отбирали и анали- зировали пробы ретентата и пермеата. Содержание растворенных органических веществ в технологи- ческих растворах оценивали по бихроматной окис- 3 15 11 12 8 2 3 А(2:1) 1 14 8 ляемости, показателю, получаемому для оценки ХПК бихроматным методом [8]. 2 Коэффициенты задержания рассчитывались по формуле Cпер R 1 , (1) Cисх 2 10 13 где Cисх , Cпер концентрация растворенного ве- Рис. 2. Конструкция плоскокамерного мембранного аппарата Плоскокамерный мембранный аппарат (рис. 2) состоит из камеры корпуса 1 с патрубками ввода исходного раствора 3 и вывода ретентата 4, двух крышек 2 с тремя штуцерами 8, расположенными по вертикали на осевой линии, на равном расстоя- нии друг от друга, с посаженными с натягом поли- этиленовыми трубками 9, цилиндрических каналов ввода и вывода исходного раствора 15 и ретентата 16 соответственно. Уплотнение камеры корпуса 1 с двумя крышками 2 осуществлено по плоской посащества в исходном растворе и пермеате, кг/м3. Определение гидродинамической проницаемо- сти мембран осуществлялось по [9]: V , (2) Р Fм где V - объем пермеата, м3; Fм - площадь рабочей поверхности мембраны, м; τ - время выполнения эксперимента, с; Р - рабочее давление, МПа. Результаты и их обсуждение Данные экспериментов по обратноосмотическому разделению технологических вод крахмало- паточного производства представлены в табл. 1. Таблица 1 Данные экспериментов по обратноосмотическому разделению технологических вод крахмало-паточных производств Типмембраны Сисхкг/м3 Среткг/м3 Спер,кг/м3 V.103,м3 ОПМ-К 2,15 2,15 0,333 0,396 3,05 0,54 0,391 3,85 0,73 0,386 4,1 0,8 0,38 6,5 1,43 0,374 МГА-100 2,15 2,15 0,45 0,144 3,05 0,65 0,142 3,85 0,86 0,14 4,1 0,93 0,137 6,5 1,58 0,133 На рис. 3 и 4 представлены результаты экспери- ментальных исследований по коэффициенту задер- жания и коэффициенту гидродинамической прони- цаемости в зависимости от концентрации раство- ренных веществ в разделяемом технологическом растворе. Рис. 3. Зависимость коэффициента задержания мембран ОПМ-К и МГА-100 от концентрации растворенных веществ в разделяемом технологическом растворе Из графиков рис. 3, 4 видно, что коэффициент задержания и коэффициент гидродинамической проницаемости с увеличением концентрации рас- творенных веществ в концентрируемом растворе в процессе обратного осмоса снижаются. Причиной уменьшения коэффициента задержа- ния является, вероятно, уменьшение количества воды в пограничных слоях обратноосмотической мембраны, а также образование текучей динамической мембраны, которая является дополнительным барьером при разделении технологического рас- твора. Снижение коэффициента гидродинамической проницаемости (рис. 4) объясняется возраста- нием осмотического давления раствора при его концентрировании и более быстрым образованием динамического слоя мембраны при росте концен- трации при разделении растворов, содержащих крахмал. Рис. 4 Зависимость коэффициента гидродинамической проницаемости мембран ОПМ-К и МГА-100 от концентрации растворенных веществ в разделяемом технологическом растворе Из рис. 3 видно, что в процессе обратного осмо- са при одинаковых условиях проведения экспери- ментов (температура, давление, рабочая площадь мембран и т.д.) наибольшей гидродинамической проницаемостью обладает мембрана типа ОПМ-К. Определяющим фактором в этом случае является вид полимера, из которого изготовлен активный слой мембраны, размер пор и особенности их рас- пределения по активной поверхности мембраны, толщина рабочего слоя мембраны, способность частичек крахмала агрегироваться на поверхности мембраны. Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что с помощью разделения технологических растворов методом обратного осмоса возможно перейти на замкнутый технологический процесс (при учете возможности проведения регенерацион- ных мероприятий, связанных с восстановлением задерживающих и проницаемых свойств мембран), при котором только для промывания крахмала ис- пользуется чистая вода, во всех других операциях применяется возвратная вода. Очистка растворов крахмало-паточных производств позволит исполь- зовать минимальное количество воды на ведение технологических процессов. Как следствие, затра- ты, составляющие значительную долю в себестои- мости кукурузного крахмала, будут снижены.
1. Schmidt, J. M. Effect of membrane material on the separation of proteins and polyphenol oxidase in ultrafiltration of pota- to fruit juice / J. M. Schmidt, M. Greve-Poulsen, H. Damgaard, M. Hammershøj, L. B. Larsen // Food and Bioprocess Technol. - 2016. - Vol. 9. - no. 5. - pp. 822-829
2. Strætkvern, K.O. Recovery of native potato protein comparing expanded bed adsorption and ultrafiltration / K.O. Strætkvern, J. G. Schwarz // Food and Bioprocess Technol. - 2012. - Vol. 5. - no. 5. - pp. 1939-1949
3. Волков, Н.В. Применение мембранной технологии для очистки и концентрирования разбавленного картофельного сока / Н.В. Волков, Н.Д. Лукин, Л.В. Кривцун // Достижения науки и техники АПК. - 2011. - № 11. - С. 79-80
4. Волков, Н.В. Оптимизация процесса фильтрации картофельного сока с применением керамических мембран / Н.В. Волков, Н.Д. Лукин, Л.В. Кривцун // Достижения науки и техники АПК. - 2012. - № 12. - С. 70-72
5. Применение обратноосмотических мембран для концентрирования картофельного сока / Н.Д. Лукин [и др.] // Тех- ника и оборудование для села. - 2014. - № 2. - С. 24-26
6. Хачатрян, Л.Р. Исследование технологических режимов работы мембранного аппарата при концентрировании крахмального молока / Л.Р. Хачатрян, Р.В. Котляров, Б.А. Лобасенко // Техника и технология пищевых производств. - 2015. - Т. 37. - № 2. - С. 61-66
7. Мембраны. Фильтрующие элементы. Мембранные технологии ЗАО НТЦ Владипор: каталог. - Владимир. - 2007. - 22 с
8. Лурье, Ю.Ю. Химический анализ производственных сточных вод. / Ю.Ю. Лурье, А.И. Рыбников. - М.: Химия, 1974. - 336 с
9. Лазарев, К.С. Исследования кинетических коэффициентов обратноосмотического разделения растворов на мем- бранах МГА-95, МГА-100 и ОПМ-К / К.С. Лазарев, С.В. Ковалев, А.А. Арзамасцев // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2011. - Т. 17. - № 3. - С. 726-732
