RESEARCH ON TECHNOLOGICAL MODES OF OPERATINGOF MEMBRANE APPARATUS FOR STARCH MILK CONCENTRATION
Authors:
1.
Kemerovo Institute of Food Science and Technology (University)
2.
Kemerovo Institute of Food Science and Technology (University)
3.
Kemerovo Institute of Food Science and Technology (University)
Type:
Article
Pages:
from 61
to 66
Status:
Published
Received:
30.06.2015
Accepted:
30.06.2015
Published:
30.06.2015
Subject area:
UDK 664.22:542.816
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Language:
Russian
Keywords:
Membrane apparatus, concentration, starch milk, technological modes, regression analysis
Abstract (English):
Technologies of separation and purification of substances are widely used in those branches of industry where separation of compo- nents from a mix, concentration and obtaining of high-pure substances, water purification and production waste treatment, etc. are required. When organizing a production process special attention is paid to the creation of waste-free technologies and closed pro- duction schemes. Membrane methods are one of the separation and purification technologies for gas and liquid products processing. No phase changes occur when raw materials are processed using membrane methods unlike the cases when widely applied methods are used. Sometimes the membrane methods are not only economic and less power-intensive in comparison with other methods, but often allow a full use of raw materials and energy. Despite their advantages, membrane methods are not widely used in the industry now. The reason is low productivity of the membrane equipment owing to the layer formed on a surface of a membrane, and which contains detained substances, their concentration being higher than that in the main stream. In this regard, the development of the membrane equipment with a decreased layer of the detained substances is an actual task. A new construction of the membrane appa- ratus having an insert consisting of a bearing rod and conic elements has been developed. The thickness of the detained subst ance layer on the membrane is decreased by a hydrodynamic way. Experimental studies of the membrane apparatus when concentrating starch milk show that the new construction is efficient. The created regression model allowed defining the rational values of the tech-nological mode parameters (T = 45 °C, P = 0.25 MPa) for the greatest possible productivity (490∙10-6 m3/(m2 ∙ s)) of the membrane apparatus. It is experimentally determined that the efficiency of the developed membrane apparatus has increased by 1.6 times in comparison with that of a prototype.
Technologies of separation and purification of substances are widely used in those branches of industry where separation of compo- nents from a mix, concentration and obtaining of high-pure substances, water purification and production waste treatment, etc. are required. When organizing a production process special attention is paid to the creation of waste-free technologies and closed pro- duction schemes. Membrane methods are one of the separation and purification technologies for gas and liquid products processing. No phase changes occur when raw materials are processed using membrane methods unlike the cases when widely applied methods are used. Sometimes the membrane methods are not only economic and less power-intensive in comparison with other methods, but often allow a full use of raw materials and energy. Despite their advantages, membrane methods are not widely used in the industry now. The reason is low productivity of the membrane equipment owing to the layer formed on a surface of a membrane, and which contains detained substances, their concentration being higher than that in the main stream. In this regard, the development of the membrane equipment with a decreased layer of the detained substances is an actual task. A new construction of the membrane appa- ratus having an insert consisting of a bearing rod and conic elements has been developed. The thickness of the detained subst ance layer on the membrane is decreased by a hydrodynamic way. Experimental studies of the membrane apparatus when concentrating starch milk show that the new construction is efficient. The created regression model allowed defining the rational values of the tech-nological mode parameters (T = 45 °C, P = 0.25 MPa) for the greatest possible productivity (490∙10-6 m3/(m2 ∙ s)) of the membrane apparatus. It is experimentally determined that the efficiency of the developed membrane apparatus has increased by 1.6 times in comparison with that of a prototype.
Keywords:
Membrane apparatus, concentration, starch milk, technological modes, regression analysis
Membrane apparatus, concentration, starch milk, technological modes, regression analysis
Введение Современная пищевая промышленность ориентируется на технологии глубокой переработки сы- рья. Одним из наиболее перспективных методов глубокой переработки жидких пищевых сред можно считать мембранные методы, позволяющие осуществлять концентрирование, очистку и фракционирование пищевых жидкостей с сохранением полезных свойств входящих в их состав компонен- тов. В частности, мембранные методы успешно применимы в процессе выработки крахмала на эта- пе рафинирования крахмального молока с целью более тонкой переработки крахмальной суспензии и снижения потерь крахмала [0, 0, 0]. В настоящее время существует разнообразное аппаратурное оформление мембранных процессов. Однако повышение производительности мембран- ного оборудования остается актуальной научной задачей. Целью данной статьи является описание новой конструкции мембранного аппарата, а также экспе- риментальные исследования аппарата, позволяю- щие определить его работоспособность, выявить рациональные значения технологических режимов его работы и провести сравнительный анализ с существующим мембранным оборудованием. Объект и методы исследования Объектом исследования является мембранный аппарат для переработки жидких пищевых сред (рис. 1), новизна которого защищена положитель- ным решением о выдаче патента РФ на полезную модель [0]. Прототипом послужил классический мембранный аппарат [0], который был реализован на базе исследовательской лаборатории ФГБОУ ВО «КемТИПП» для исследования процесса концен- трирования жидких пищевых сред. Прототип содержит корпус 1, выполненный в виде цилиндра. С одной стороны корпуса располагается патрубок 2 для подачи исходного потока среды, с другой - патрубок 3 для отвода конечного продукта в виде концентрата, а также патрубок 4 для отвода филь- трата. Внутри корпуса располагается коаксиально полупроницаемая мембрана 5. Прототип характеризуется низкой производительностью по фильтра- ту, что обусловлено накоплением слоя задерживае- мых веществ на поверхности мембраны. Новая конструкция мембранного аппарата отличается от прототипа тем, что в мембране располагается вставка, состоящая из несущего стержня 6, конических элементов 7 и фиксирующих колец 8. Каждый конический элемент позволяет локально повысить скорость потока перерабатываемой среды, что спо- собствует уменьшению слоя задерживаемых ве- ществ на поверхности мембраны и интенсифицирует мембранный процесс. Основными параметрами конического элемента являются длина (L, м), диаметры большего (D'', м) и меньшего (D', м) оснований. На основе результа- тов практической реализации математической мо- дели гидродинамических условий при обтекании жидкостью конической поверхности в цилиндрическом канале [0] выбраны следующие рациональные значения параметров: L = 0,004 м, D' = 0,001 м, D'' = 0,005 м. Рис. 1. Мембранный аппарат: 1 - корпус; 2 - патрубок для подачи исходного потока среды; 3 - патрубок для отвода конечного продукта в виде концентрата; 4 - патрубок для отвода фильтрата; 5 - полупроницаемая мем- брана; 6 - несущий стержень вставки; 7 - конические элементы вставки; 8 - фиксирующие кольца Экспериментальные исследования проводились на мембранной установке периодического дей- ствия, которая предусматривает циркуляцию всего концентрируемого раствора. Избыточное давление, необходимое для проведения процесса концентри- рования, создавалось при помощи циркуляционно- го насоса и дросселирующего вентиля. Контроль давления осуществлялся при помощи манометра. Постоянная температура процесса поддерживалась термостатом. В качестве перерабатываемой среды выбрано крахмальное молоко (крахмальная суспензия) с концентрацией сухих веществ С = 7 % масс. Результаты и их обсуждение На начальном этапе определено влияние скорости потока перерабатываемой среды в канале мем- браны на производительность аппарата. Здесь и далее указана скорость потока среды на входе в канал мембраны, т.е. в сечении меньшего основания конического элемента. В соответствии с расче- тами [0] по длине конического элемента происходит увеличение скорости потока. Кроме того, ре- зультаты расчета показали, что при скорости пото- ка более 0,7 м/с значение критерия Рейнольдса не опускается ниже 2300, что свидетельствует о пере- ходном режиме течения жидкости, когда турбулентное течение более вероятно. Максимальная скорость потока v = 1 м/с обусловлена технически- ми возможностями оборудования мембранной установки. Экспериментальные исследования про- водились при температуре крахмального молока Т = 25 ºС, избыточном давлении в канале аппарата Р = 0,25 МПа. Поскольку опыты в каждой точке повторялись не менее десяти раз, результаты ис- следований (рис. 2) представлены в виде диаграмм «box-and-whiskers» («ящик с усами»), характеризующих разброс экспериментальных данных. Экспериментально доказано, что увеличение скорости потока перерабатываемой среды приводит к повышению степени турбулизации потока, что, в свою очередь, снижает толщину слоя задерживае- мых веществ на поверхности мембраны и повыша- ет производительность мембранного аппарата. В нашем случае можем принять в качестве рекомендуемого при дальнейших исследованиях максимально возможное значение скорости потока, т.е. v = 1 м/с. 62 ISSN 2074-9414. Food Processing: Techniques and Technology. 2015. Vol. 37. № 2 ления в канале мембраны предварительно можно считать Р = 0,25 МПа. На следующем этапе определено влияние тем- пературы перерабатываемой среды на производи- тельность аппарата. Экспериментальные исследования проводились при ранее установленных зна- чениях избыточного давления в канале мембраны и скорости потока среды. Результаты исследований представлены на рис. 4. Рис. 2. Влияние скорости потока среды на производительность мембранного аппарата при концентрировании крахмального молока (С = 7 % масс.) Т = 25 ºС, Р = 0,25 МПа На следующем этапе определено влияние дав- ления в канале мембраны на производительность аппарата. Экспериментальные исследования прово- дились при температуре крахмального молока Т = 25 ºС, скорости потока среды v = 1 м/с. Резуль- таты исследований представлены на рис. 3. Рис. 3. Влияние давления в канале мембраны на производительность мембранного аппарата при концентрировании крахмального молока (С = 7 % масс.) Т = 25 ºС, v = 1 м/с Максимальная производительность мембранно- го аппарата наблюдается при Р = 0,25 МПа. Именно в этой точке достигается равновесие двух противо- действующих факторов. С одной стороны, повы- шение давления приводит к увеличению движущей силы процесса и, следовательно, способствует об- разованию фильтрата. С другой стороны, под дей- ствием давления происходит уплотнение слоя за- держиваемых мембраной веществ, что приводит к увеличению его сопротивления и, следовательно, снижению образования фильтрата. До указанной точки перевес имеет первый фактор, после - вто- рой. Таким образом, рациональным значением дав- Рис. 4. Влияние температуры среды на производитель- ность мембранного аппарата при концентрировании крахмального молока (С = 7%масс.) Р = 0,25МПа, v = 1м/с Повышение температуры крахмального молока вызывает снижение вязкости воды и, следовательно, снижение вязкости суспензии, что способствует об- разованию фильтрата. При температуре до 40-45 °С зерна крахмала в составе крахмального молока набухают ограниченно, его вязкость практически не меняется [0, 0]. При температуре выше указан- ных значений зерна крахмала поглощают больше воды, увеличивается вязкость крахмального моло- ка, что приводит к снижению образования филь- трата. При нагревании крахмального молока выше 50-55 °С зерна крахмала поглощают значительное количество воды, увеличиваются в объеме в не- сколько раз. При этом происходит разрушение на- тивной структуры зерна, крахмальная суспензия превращается в клейстер. Экспериментально дока- зано, что при температуре 50-55 °С в крахмальном молоке начинается образование сгустков крахмала, имеющих вязкую структуру. Повышение темпера- туры до 60 °С сопровождается увеличением коли- чества сгустков, а также ростом объема отдельного сгустка. При температуре выше 60 °С образование сгустков носит массовый характер. Процесс мем- бранного концентрирования практически останав- ливается, так как образованные сгустки полностью закупоривают внутренний канал мембраны. Поэто- му при температурах выше 50-55 °С производи- тельность мембраны по фильтрату определить практически невозможно. Далее проведены исследования влияния темпе- ратуры перерабатываемой среды на производи- 63 ISSN 2074-9414. Техника и технология пищевых производств. 2015. Т. 37. № 2 тельность аппарата при различных давлениях в ка- нале мембраны. Результаты исследований пред- ставлены на рис. 5. В каждом случае повышение температуры крахмального молока в известных диапазонах ведет к повышению производительности мембранного аппарата. Рис. 5. Влияние температуры среды на производитель- ность мембранного аппарата при концентрировании крахмального молока (С = 7 % масс.) v = 1 м/с Взаимное влияние температуры среды (X1 = T) и давления в канале мембраны (X2 = P) на производи- тельность мембранного аппарата (Y = G) может быть отражено регрессионной моделью второго порядка (1). (1) Для построения регрессионной модели прове- дены активные эксперименты на основе матрицы планирования ортогонального плана второго по- рядка для двух факторов (табл. 1), составленной в соответствии со стандартной методикой [0]. Таблица 1 Матрица планирования ортогонального плана второго порядка Результаты параметрической идентификации и статистической оценки параметров уравнения ре- грессии приведены в табл. 2. Таблица 2 Результаты параметрической идентификации и статистической оценки параметров уравнения регрессии Параметр Значение параметра Безразмерные коэффициенты b0 482,37 Безразмерные коэффициенты b`0 452,39 Безразмерные коэффициенты b1 29,46 Безразмерные коэффициенты b2 6,70 Безразмерные коэффициенты b12 0,62 Безразмерные коэффициенты b11 -10,07 Безразмерные коэффициенты b22 -34,89 Дисперсия воспроизводимости S2 восп 21,48 Дисперсия воспроизводимости fвосп 9 Расчетный критерий Стьюдента t0 312,23 Расчетный критерий Стьюдента t1 15,57 Расчетный критерий Стьюдента t2 3,54 Расчетный критерий Стьюдента t12 0,27 Расчетный критерий Стьюдента t11 2,29 Расчетный критерий Стьюдента t22 7,93 Критический критерий Стьюдента tкр 2,26 Дисперсия адекватности S2 ад 75,83 Дисперсия адекватности fад 4 Критерий Фишера Fрасч 3,53 Критерий Фишера Fкрит 3,60 Проверка значимости коэффициентов уравне- ния регрессии позволила исключить незначимый коэффициент уравнения (b12). Адекватность урав- нений подтверждена оценкой по критерию Фишера (Fкрит = 3,6; Fрасч = 3,53; Fкрит > Fрасч). Таким обра- зом, зависимость производительности мембранного аппарата по фильтрату от параметров технологиче- ского режима может быть описана регрессионной моделью в безразмерном (2) и натуральном (3) масштабах. G∙106 = 482,37 + 29,46∙T +6,70∙P - - 10,07∙T2 - 34,89∙P2 (2) G∙106 = -6,498∙102 +9,95∙T + 7,114∙103∙P - - 0,1∙T2 - 1,396∙104∙P2 (3) В результате анализа уравнения регрессии (2) в диапазоне изменения параметров T [25; 45] и Р [0,20; 0,30] выявлены их рациональные значе- ния Т = 45 ºС, Р = 0,25 МПа, при которых достига- ется максимально возможная производительность мембранного аппарата, равная 490∙10-6м3/(м2∙с). Максимум производительности явно просматрива- ется на поверхности (рис. 6). Экспериментально установлена максимально возможная производительность прототипа при концентрировании крахмального молока, которая составляет в среднем 300∙10-6 м3/(м2∙с). 64 ISSN 2074-9414. Food Processing: Techniques and Technology. 2015. Vol. 37. № 2 нию скорости образования фильтрата и интенси- фицирует мембранный процесс в целом. На рис. 7 приведены экспериментальные кривые производительности по фильтрату новой конструк- ции мембранного аппарата и прототипа при рациональных значениях параметров технологического режима, наглядно подтверждающие преимущество разработанной конструкции. Рис. 6. Зависимость производительности мембранного аппарата по фильтрату от параметров технологического режима при концентрировании крахмального молока Т = 45 ºС, Р = 0,25 МПа, v = 1 м/с Таким образом, использование вставки, состоя- щей из несущего стержня конических элементов, в составе мембранного аппарата позволило повысить его производительность в 1,6 раза. Это объясняется тем, что гидродинамический элемент конической формы позволяет локально повысить скорость по- тока перерабатываемой среды. При этом происхо- дит уменьшение слоя задерживаемых веществ на поверхности мембраны, что приводит к повыше- Рис. 7. Производительность мембранного аппарата без вставки и со вставкой при концентрировании крахмального молока (С = 7 % масс.) Т = 45 ºС, Р = 0,25 МПа, v = 1 м/с
1. Grachev, Yu.P. Matematicheskie metody planirovaniya eksperimentov / Yu.P. Grachev, Yu.M. Plaksin. - M.: DeLi Print, 2005. - 296 s.
2. Dytnerskiy, Yu.I. Processy i apparaty himicheskoy tehnologii: v 2 ch. Ch. 2: Massoobmennye processy i appara- ty / Yu.I. Dytnerskiy. - M.: Himiya, 1995. - 368 s.
3. Polozhitel'noe reshenie o vydache patenta RF na poleznuyu model' po zayavke №2014105407/05(008622), MPK B65D88/68 ot 13.02.2014. Membrannyy apparat / L.R. Hachatryan, R.V. Kotlyarov; zayavitel' i patentoobladatel' Federal'noy gosudarstvennoe byudzhetnoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego obrazovaniya «Kemerovskiy tehnologicheskiy institut pischevoy promyshlennosti (universitet)» - zayavl. 13.02.2014. // M.: Rospatent, 2014.
4. Tehnologiya pererabotki produkcii rastenievodstva / pod red. N.M. Lichko. - M.: Kolos, 2000. - 552 s.
5. Tehnologiya pischevyh proizvodstv / pod red. A.P. Nechaeva. - M.: KolosS, 2005. - 768 s.
6. Hachatryan, L.R. Matematicheskaya model' gidrodinamicheskih usloviy pri obtekanii zhidkost'yu konicheskoy po- verhnosti v cilindricheskom kanale / L.R. Hachatryan, R.V. Kotlyarov, A.A. Krohalev // Tehnika i tehnologiya pischevyh proizvodstv. - 2015. - № 1. - T. 36. - S. 92-96.
7. BeMiller, J.N. Starch - Chemistry and Technology / J.N. BeMiller, R.L. Whistler. - Academic Press, 2009. - 894 p.
8. LeCorre, D. Ceramic membrane filtration for isolating starch nanocrystals / D. LeCorre, J. Bras, A. Dufresne // Carbohy- drate Polymers. - 2011. - Vol. 86. - P. 1565-1572.
